深海采矿锰结核泵的试验研究

锰结核泵是深海采矿扬矿系统中的关键设备,为了研究泵结核矿浆工作性能,在实验室构建了一套高30 m、内径204 mm,可提供最大管网阻力2.5 MPa的泵矿浆性能试验系统,采用不同模拟结核粒径进行了泵矿浆工作特性试验。试验结果表明,锰结核泵基本上达到了预期设计指标,分析了模拟结核粒径d≤50 mm矿浆回流试验泵流道堵塞的原因,初步讨论了锰结核泵的环形格栅通道和泵流道问题,可作为我国中试多级锰结核泵的设计依据。     

深海采矿提升管泵级设置优化研究

随着陆上资源的日渐枯竭,深海开发已经成为世界主要大国的重要战略目标,实现高效、低能耗的深海矿产提升具有重要意义。基于大颗粒垂直管道提升理论和离心泵理论,针对不同矿浆浓度设定多种工况,假定泵级数,分别求解系统工作点。从效率、产量、功率和单位产量能耗四个优化指标出发,借助图像进行直观分析比较,优化泵级数的设置。分析结果表明,单位产量能耗在某一较高泵级数处可取得最小值,此时亦可保证较高的产量和泥泵效率较好的发挥,该泵级数可选取为最优泵级数方案。     

深海采矿扬矿泵导叶区域粗颗粒通过特性试验研究

在深海采矿系统中,海底矿石必须经过扬矿泵才能提升到海面船上,但矿石粒径较粗,容易在泵体中形成堵塞,尤其是在扬矿泵导叶区域,因此,研究粗粒在导叶中的运动特性对于保障系统安全工作具有重要意义。针对深海矿物粒径较大的特点,设计并制作了具有宽流道的扬矿泵流道模型,安装于管道输送试验系统。利用高速摄像机对扬矿泵导叶内粗颗粒运动特性进行了记录,并对其运动轨迹、碰撞情况以及颗粒速度等信息进行了分析。结果表明:颗粒在通过导叶区域时,运动轨迹与水流流向基本一致;颗粒与导叶发生碰撞位置主要集中于导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处;颗粒粒径越小,跟随性越好,碰撞次数越少。试验结果可为扬矿电泵设计提供参考。     

深海扬矿系统中颗粒过泵回流试验研究

两相流过泵回流试验是模拟水力提升系统紧急停泵情况下垂直管道中颗粒运动状态,紧急停泵时,可能会出现堵管、难于输送等现象。为提高管道水力输送安全性,采用三种不同的模拟结核颗粒(粒径分别为d≤10 mm,d≤20 mm,d≤50 mm),两种不同浓度(CV=5%,CV=8%),在两级泵额定流量Q=420 m3/h条件下进行了过泵回流试验,分析了试验结果,从多个方面总结了堵管原因。认为实际工程中应该严格控制颗粒上限粒径,采用合适的颗粒级配,并对管道定期进行清洗,尽量减少管道的大角度转弯和断面突变。     

颗粒粒径对深海采矿提升泵工作性能影响分析

为研究颗粒粒径对深海采矿提升泵工作性能影响,采用RNGκ-ε湍流模型和Hinze-Tchen颗粒湍流粘性系数模型,运用Fluent软件对采矿提升泵内固液两相流进行数值模拟,比较不同的颗粒粒径对采矿提升泵内颗粒浓度、速度、压力分布的影响,进而分析颗粒粒径对扬程、效率等工作性能的影响,指导深海采矿提升泵的设计。研究结果表明:在转速、流量、颗粒体积分数不变情况下,随着颗粒粒径增大,泵的扬程和效率都逐渐下降;叶轮叶片中前部流道内浆体的颗粒浓度大幅上升,叶轮流道内颗粒动态沉积更加严重,叶轮流道过流面积随之减小,反而加大了叶轮流道内贯流的相对速度,从而有效地抑制了边界层分离的发生,但在叶轮叶片中后部压力面上浆体压力下降幅度较大,泵内浆体总压逐渐下降,扬程随之减小;在叶轮出口处,流道内固液两相流的速度差异增大,在叶轮出口处形成的射流-尾迹结构增强,并在空间导叶流道内形成更加明显的二次流及漩涡,从而加大水力损失,降低效率。实验证实了数值模拟方法的可行性及准确性。     

采矿车运动对深海采矿软管输送系统的影响分析

根据矿石输送软管挠度变化很大的特点,采用了几何非线性有限元理论对输送系统进行力学分析;根据输送管道在采矿船和采矿车的牵引下运动,同时受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对输送系统进行了计算分析。从计算结果的比较分析可知,在输送管道下端安装浮体,得到了一种十分理想的采矿系统;采矿车牵引输送管道运动时,海水对管道产生很大的阻力,海水阻力对管道两端结点反力和管道形状影响都很大。     

推进器失效对深海采矿船动力定位性能的影响分析

深海中蕴藏着丰富的矿产资源,深海采矿船是深海采矿的重要装备,通过动力定位系统控制采矿船的海上位置,动力定位系统由若干推进器组成。采矿船在海上受到风浪流作用,推进器一旦失效极易发生采矿船运动失控等安全事故,本文研究推进器不同失效方式下动力定位性能,分析推进器不同失效方式动力定位功能的损失。根据势流理论计算波浪载荷,数值模拟深海采矿船不同位置的单个推进器失效和多个推进器失效方式下的时域运动响应,对比各种失效方式对深海采矿船纵荡、横荡、艏摇三个自由度运动的影响,分析各种失效方式对剩余推进器推力的影响。研究结果表明：采矿船空载90°浪向,推进器不同失效模式对于纵荡运动影响远小于对横荡和艏摇运动影响,船艉单推进器失效对于纵荡和艏摇动力定位的影响大于两个推进器失效影响;对于采矿船多自由度运动动力定位两个推进器失效大于单推进器失效影响;一侧两个推进器或两侧推进器同时失效,对动力定位的影响相同,对于横荡运动的影响最大。本文揭示了深海采矿船推进器失效对于采矿船运动的影响程度和机理,对于深海采矿船的安全作业具有指导意义。     

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

深海采矿水下巡检ROV水动力特性分析

为了高效稳定开采深海矿物资源,需要对深海采矿系统水下作业进行监测、维护。按照实际应用需要,自主研制了一款辅助海底多金属结核开采的水下巡检机器人 （Remotely Operated Vehicle,ROV）。本文基于计算流体动力学方法,研究了 ROV 在进退和升沉两种主要运动模式下的阻力、表面压强及流场流线特点,同时采用滑移网格方法对螺旋桨仿真,分析了螺旋桨转动对 ROV 水动力性能的影响。结果表明：ROV 在前进和下潜时具有较好的水动力性能,螺旋桨转动对 ROV 腔体内部流场及尾流区域产生梳流导流作用,减小了 ROV 负压区及航行阻力,后退和上升时螺旋桨转动则加剧内部流场紊乱,恶化了 ROV 水动力性能。     

深海采矿整体联动风险分析及应急撤离策略研究

深海采矿作为新领域资源重点开发项目,国外已开展部分试验研究,国内现阶段仅停留在重点设备部件级功能验证,还未开展过系统整体联动,距离海洋油气等正在进行的规模化商业开采还有很大距离.本文以深海采矿系统整体联动模型为基础,与海洋油气工程作业平台技术模型进行对比,对整体联动风险点进行深度分析,并根据重点风险部件开展其悬挂模式、...     

深海扬矿泵导叶结构中粗颗粒运动特性研究

扬矿泵作为深海采矿水力提升系统中的关键设备,其设计参数对安全、高效输送矿石有着重要作用。通过对扬矿泵导叶区域中的颗粒进行受力分析,建立受力方程和运动方程,从扬矿泵结构参数和输送参数两个方面来研究颗粒在扬矿泵导叶中的运动情况。研究结果表明:1)当颗粒粒径一定的条件下,相比于25°和30°的导叶进口安放角θ,15°~20°时颗粒将在更短的时间内以更快的速度与导叶壁面发生碰撞,这样对导叶的磨损更严重,但当θ大于25°时,导叶曲面弯曲过急,不利于颗粒过泵,因此,在此研究中选择导叶进口安放角为25°较合适;2)流道宽度小于3d_(max),颗粒与导叶碰撞位置越靠近导叶进口,碰撞时颗粒的速度越大,对泵的磨损越严重,流道宽度大于3d_(max),导叶的导流效果降低,综合考虑,选择流道宽度为3 d_(max)较佳;3)当水流速度在2~5 m/s时,颗粒与导叶碰撞瞬间,水流速度大的工况下,颗粒会以更大的速度与导叶碰撞,这样对机械的磨损更严重;4)细颗粒不容易与导叶碰撞,同一流速下,粒径越大的颗粒在导叶中的停留时间越长,会增加堵泵的概率。     

pH、底物体积分数和盐度对军曹鱼消化组织淀粉酶活力的影响

测定了军曹鱼（Rachyceruton canadum）的胃、幽门盲囊、肠等消化组织中淀粉酶在不同pH值下的活力及在最适pH值下底物体积分数、盐度对其活力的影响。结果表明,胃、幽门盲囊、前中肠、后肠的淀粉酶的最适pH值分别是6．0,7．0,5．8和7．0;其最适底物体积分数分别为0．056％．0．056％,0．048％和0.064％;其最适盐度为28。     

平板对下游方柱流体动力性能影响分析

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩Navier-Stokes方程,分别采用层流模型和Realizable k-ε模型研究Re=250和Re=104前置平板与下游方柱间的流动干扰现象,分析不同尺度的平板布置在不同位置时对下游方柱的绕流场及流体动力性能的影响。计算发现在方柱上游布置平板可以有效的控制方柱的绕流场,减小方柱的阻力系数和升力系数;随着平板尺度的增加,方柱的阻力系数、升力系数呈下降趋势;并且存在较好的平板布置区间,可以最大程度的降低方柱和平板的阻力系数及方柱的升力系数,从而达到良好的减振、降噪的效果。     

空白校正对元素分析仪测定海水中颗粒有机碳结果准确性的影响分析

颗粒有机碳(POC)在海洋生态系统乃至全球碳循环中发挥着重要作用,其准确获取至关重要。目前,元素分析仪测定POC是最准确和常用的分析方法,但取样忽略了水体溶解有机碳(DOC)可能带来的影响。针对空白样品如何获取才能有效去除DOC影响的问题,本文设计比较了5种取样方法对POC测定结果的影响,以及滤膜对数据的影响。结果显示, 1) 5种样品取样方法所得的结果差异显著,不进行空白校正会对结果产生较大误差;2)文献和本文设计的空白样取样方法均出现了空白值大于样品值的异常情况; 3)样品继续抽人工海水100 mL即可有效洗去滤膜上吸附的DOC; 4)未过滤的滤膜450℃灼烧5h后可以有效去除滤膜上吸附的碳,但是存放时间越久滤膜从空气中吸附碳的概率越大。本研究确定的人工海水法可以有效去除DOC对测定结果的影响,样品测定结果重复性、精密度高,可准确用于海水POC样品的测定。