基于康达效应的海底集矿装置流场与集矿特性试验研究

海底集矿作为深海矿产资源开发的核心技术之一,直接影响到矿石采集效率和海底沉积物受扰动程度。基于康达效应的水力集矿装置因具有结构简单、可靠性高及对海床扰动小等优点,受到广泛关注。针对基于康达效应的水力集矿头模型进行3种类型的试验研究：1)利用粒子图像测速(PIV)技术测得集矿流场速度分布,试验发现流体质点在靠近凸曲面壁处流速和沿法线速度梯度较大,而远离凸曲面壁处则相反;2)通过高速摄像和图像处理获得球形矿粒运动轨迹和速度,试验发现了不同射流流速下5种典型矿粒运动形态;3)分析了射流流量对矿粒采集率的影响,试验得到了颗粒采集率关于射流流量的变化曲线,并根据变化特征划分为增长区、缓变区和跃升区。研究可为新式集矿装置的优化设计与性能分析提供参考。     

深海多金属结核水力集矿头流场结构数值模拟研究

深海蕴藏着丰富的多金属结核资源,受海水深度等限制,结核采集目前仍存在巨大挑战。水力式采矿具有结构简单、可靠性高的优势,是目前最具发展前景的采集方式之一。水力式采矿通过水流动力进行结核采集,喷射形成的复杂流场结构直接影响海床上结核颗粒剥离、起动、采集效率和海洋环境扰动强度,采集器离地高度、喷嘴射流角度和速度等具有较大优化空间。基于计算流体力学数值模拟研究了集矿头附近三维水流结构,分析了喷嘴射流速度和结核粒径对局部流场、床面剪切力以及结核采集能效的影响。结果表明：集矿头周围流场存在典型分区结构,包括淹没射流区、冲击区、壁面射流区、汇合区和上升区;随着喷射流速增大,最大床面剪切力近似线性增长,结核有效起动面积指数增长;随着结核粒径增大,有效起动面积减小,结核采集能效降低;综合考虑结核采集强度和采集能效,建议采集器喷射流速取8～9 m/s。     

深海采矿潜在环境影响因素及监测技术体系研究

目前深海采矿潜在的生态环境影响引起来了广泛关注,文章针对工业化深海金属矿产资源开采潜在的环境影响监测评估需要,系统地总结了深海铁锰多金属结核、铁锰富钴结壳以多金属硫化物等主要深海资源的基本产状,分析了“物质迁移-羽流产生-声光电磁噪声-耗氧-有毒物质释放”等主流采矿工艺潜在的环境影响因素,基于深海采矿生态环境影响评估调查研究的技术需求,从实施深海采矿环境监测实验工程、建立深海重大装备系统、发展原位监测传感器等方面提出了深海采矿环境监测技术体系建设构架,以期为我国深海采矿生态环境监测保护技术发展提供借鉴。     

基于竖轴漩涡水动力特性的海底矿粒采集方法试验研究

随着新能源等新兴产业的高速发展,金属矿产资源需求激增,国内外争相发展深海采矿技术。基于竖轴漩涡的水动力特性,设计了一种带有4个切向射流喷嘴的吸盘式水力集矿装置,提出应用切向射流在集矿装置内诱导生成竖轴漩涡的新集矿方法。开展水力集矿模型试验,研究竖轴漩涡集矿流场流速分布特征;分析低、中、高3种旋流度流态下,集矿流量对矿粒运动轨迹和采集率的影响。结果表明：矿粒起动轨迹随着旋流度的增加,逐渐从混乱无序转向明显的圆周运动;在特定集矿流态下,矿粒采集率随集矿流量的增加不断提高;当矿粒采集率超过90%时,集矿流量需求随着旋流度的增加而减小。通过采矿车原理样机水池测试,初步验证了集矿装置的集矿性能,可为集矿装备的设计研发与论证提供借鉴。     

不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R~+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R~+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R~+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。     

自治水下机器人在深海采矿系统湖试中的应用

以大洋采矿前期的湖试为例,介绍了AUV在矿产资源调查和深海采矿中的应用。在深海采矿系统作业前期,利用AUV调查湖底的地形地貌、结核的分布与覆盖率,确定集矿机作业地点的大地坐标。在深海采矿系统作业后期,利用AUV调查集矿机在湖底的行走轨迹和压陷深度,估算回采率。     

深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响,预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法,采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究,分析近海底排放的羽状流演化和发展过程,探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明：初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小,随着入射质量浓度的增大而增大;初始羽状流入射速度和质量浓度越大,撞击海底后的水平方向流动速度越快,影响区域越广;水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长;当初始质量浓度和速度高于50 g/L和 0.5 m/s 时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状,影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。     

基于深海采矿过程的环境影响分析与管理对策建议

深海矿产开发所产生的环境影响是目前制约深海采矿的重要问题之一,了解开发全过程的环境影响和生态响应是商业化开采的前提。本文以多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物三种具有代表性的深海固体矿产资源为例,分析了开发前赋存环境、开发过程中及开发后的环境影响。结果表明：①不同深海固体矿产资源的分布规律、深度以及生物特征等赋存环境存在较大差异,因采矿活动带来的赋存环境改变、对环境的影响以及采矿潜在影响区域、影响时长和恢复潜力也有所不同。②多金属结核开采的环境影响着重考虑了沉积物羽流的影响,结壳开采活动从沉积物扰动、外壳去除以及栖息地改变三个方面考虑环境影响,多金属硫化物开采的环境影响还要增加对有毒物质的释放以及栖息地移除两个方面的考虑。③深海采矿对底栖生物种群的数量和物种组成皆会造成不同程度的影响。最后,从持续跟进监测评估、充实数据、提升采矿技术与设备、顶层设计与决策管理、规则制定等方面提出了环境保护与可持续发展对策建议,为深海采矿的环境影响评价及规则制定提供参考。     

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。     

万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆流场数值模拟

耐压结构是深海潜器的重要组成部分,但在深海的高压环境中却存在内爆的风险。为研究陶瓷耐压结构水下内爆的流场特性,使用针对可压缩多相流问题开发的开源代码,采用直接数值模拟,应用自适应直角网格,对两种压力条件下的耐压结构水下内爆进行了数值模拟。通过低压模拟结果与理论解和试验值比较,验证了模拟方法的有效性,进而开展万米级深海陶瓷耐压结构水下内爆模拟。分析发现：陶瓷耐压结构发生内爆后,其内部气腔存在多次压缩—反弹现象,深海环境压力越大则反弹越不明显;气腔反弹阶段,在结构外部将产生数倍于深海环境压力的冲击波,且传播速度接近声速;冲击波压力峰值与到球心距离呈负指数幂函数关系;在相同深海环境压力下,耐压结构外部监测点的冲击波压力与球体半径呈正比例关系。     

深海采矿循环式水力集矿系统设计与数值研究

为使深海采矿作业更为高效、环保,提出了一种用于深海采矿的循环式水力集矿系统设计方案。该系统主要由集矿头、矿-沙分离器、水-沙分离器、水泵以及连接各部件的管道组成。采用基于欧拉法的液固两相流计算模型对该系统的关键问题,即矿-沙分离器和水-沙分离器的泥沙颗粒流动进行数值研究。相间拖曳力采用Richardson-Zaki模型。液相与固相湍流分别采用标准k-ε模型和Tchen湍流响应模型。该模型经验证对于直径0.165 mm与0.27 mm细颗粒具有较高精度。利用该模型,以0.165 mm泥沙颗粒为例,得到了两种分离器的分离效果与入口流速之间的规律,分析了两者颗粒浓度分布与流场特征。结果表明,两种分离器的性能均与入口流速有关,在选取适当入口条件时均可取得良好效果。     

大容积全海深环境模拟装置结构及低温控制分析

深海环境模拟装置是开展深海技术与装备研发中必不可少的试验系统。本文基于预应力钢丝缠绕技术，将传统的单层筒体拆分成双层结构，并在内套筒和外套筒间设有冷却通道。以筒体内径1000 mm、筒深2500 mm、最高设计压力200 MPa 的深海环境模拟装置为例，进行筒体结构和低温控制过程的初步计算分析。通过计算结果可知：在筒体结构设计上， 缠绕预紧系数浊η=1.13 时，筒体外半径r0 = 795 mm，芯筒总厚度为177 mm，所需缠绕钢丝层厚度为118 mm；在低温控制过程，增压器等熵效率为0.6 时，需要通过制冷系统将初始状态的工质水冷却至0 ℃，并保持筒内不少于4.6%的含冰量，且制冷系统总制冷量不低于24.62 kW，则可以实现筒内200 MPa下4 ℃及以下低温控制。研究结果可以为大型全海深环境模拟装置的低温控制策略研究提供参考。     

菲律宾海的锰结壳和锰结核

西马里亚纳海盆和菲律宾海盆发育的锰结核是典型的深海结核。其丰度为0～15kg/m2,平均为3.5kg/m2,Ni+Cu+Co的平均含量为0.59%,最大含量为0.93%,平均Mn/Fe值为0.73.九州帛琉海脊和中央海脊发育的锰结壳和锰结核十分丰富。采集到的大块结壳表面直径可达到300～500mm,最大厚度为32～35mm,采集到的结核最大丰度可达到18.7kg/m2,Ni+Cu+Co的平均含量为0.62%,Co的含量最大为0.57%,平均Mn/Fe值为0.95.上述海盆和海脊上的结核和结壳主要锰矿物相均为水羟锰矿,属水成成因和较低的氧化生成条件,结核的形成时代为更新世以来。据结核和结壳的金属品位,尤其是Co的含量来看,目前尚不具经济潜力。     

深海视频采集系统保护窗口的设计和优化

保护窗口是深海视频采集系统的关键组件。为提高深海视频采集系统的整体性能,保障深海资源的勘探和开发利用,文章通过力学分析、理论对比和打压试验等过程,对保护窗口进行设计和优化。研究结果表明:球扇形窗口更适合全海深均匀高压环境;与主流窗口材料蓝宝石相比,我国自主研制的YAG透明陶瓷在性能和成本上具有优势;以第四强度理论作为充分准则进行设计,以第一和第二强度理论作为必要条件进行校验,结合有限元力学分析结果,外径为96mm的半球形保护窗口的最优内径为76mm;对采用该内径尺寸透明陶瓷保护窗口的深海视频采集系统进行全海深压强水下打压试验,有力证实相关理论和设计思想的合理性和可靠性。     

正方体人工鱼礁流场效应试验研究

采用无干扰的粒子图像测速技术(PIV),针对中空型正方体人工鱼礁,选取3个不同的来流速度6.7 cm/s、11.0 cm/s和18.0 cm/s,研究了该模型单体(90°和45°)和组合(平行和垂直)工况时的流场效应。结果显示,单体90°迎流时上升流的规模和强度大于45°迎流,但产生的缓流区和背涡流的规模远小于45°工况。横向组合中单个鱼礁模型产生的流场效应较强于单体工况。纵向组合中,第一个迎流鱼礁在不同间距时内部流速分布和单体时较为相似,间距为1.0L时流速大小与单体最为接近。第二个迎流鱼礁内部基本上未出现回流区域,水平流速较单体时明显减小,但随着间距的增加流速值不断增大。     

基于水电比拟方法的山东南四湖上级湖流场研究

利用水电比拟方法模拟了南四湖流场结构。同时,基于HAMSOM模式,对其流场进行了数值模拟,所得结果与水电比拟结果一致,两者平均相关系数在0.94以上,表明水电比拟实验技术路线可行,流场基本结构准确。该方法适用于低流速大流场的模拟。流场结构分析表明,湖区流速在汛期为cm/s量级,非汛期仅为mm/s量级。其中,在南阳湖北部...     

不同倒角半径下方柱绕流的数值模拟及水动力特性研究

为了研究不同倒角半径对方柱绕流特性的影响,采用有限体积法,模拟了雷诺数Re为22 500、倒角半径为0.1D(D为方柱边长的长度)、0.2D和0.3D时方柱的绕流过程。方柱近壁面采用增强壁面函数,模型采用SST k–?湍流模型。根据模拟结果给出了不同倒角半径下方柱的流场涡量图以及阻力系数Cd和升力系数Cl;利用快速傅里叶变换法得到斯托罗哈数St。结果表明,倒角半径的增加改变了方柱的分离点,使得尾流区长度增加,旋涡尺度减小;Cd和Cl的振动幅值呈现先减小后增大的趋势,倒角半径为0.1D和0.2D时方柱受力较小,不存在倒角时方柱受力较大,倒角半径为0.3D时方柱受力最大;随着倒角半径的增加,柱体截面形式越接近圆形,斯托罗哈数逐渐增大,漩涡脱落频率更快。     

尼日尔盆地油藏水道沉积构型识别及演化规律

深海水道作为深水环境中重要的储层类型,具有极为丰富的深海油气资源,近年来一直是深海油田勘探和开发的重点区域,但对水道内部构型边界的识别刻画仍然是一个难点。依据三维地震数据以及测井和岩心资料,对西非X油藏水道进行了内部构型边界的精细划分,并分析了其水道演化模式。研究表明:区内水道体系边界可通过地震相特征差异进行识别,并将其分为限制性、半限制性和非限制性3种类型;复合水道边界可通过"垂向分期"和"侧向划界"原则进行确定;单一水道边界可通过水道边界振幅强弱变化进行识别,其在平面上有单侧向迁移和沿下游摆动迁移2种迁移模式,在剖面上单向侧向迁移段水道呈侧向迁移的特征,沿下游摆动段呈现出多期水道相互摆动切叠的特征;水道体系的演化可划分为初始形成、快速发育、平稳发育以及水道消亡4个阶段,对应一个完整的海平面变化旋回。     

舟山LNG取水泵站泥沙减淤清淤试验研究

LNG接收站取水流道内水流形态复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内泥沙淤积可能威胁接收站的正常运营。为实现LNG取水泵站不停机条件下清淤,开展取水泵站射流冲刷物理模型试验,模拟了射流冲沙装置开启后吸水间射流水流特征及冲刷效果,探究了射流冲刷设置的喷嘴与翼墙夹角、射流流量、冲刷时间等因素影响下流道内减淤清淤效果。试验结果表明,在理想状态下吸水间射流冲沙装置连续作用12 h基本可达到较为理想的清淤效果;一次大风浪过后,装置连续作用0.5 h基本可达到较为理想的清淤效果。清淤效果视射流流量、喷嘴与翼墙夹角以及冲刷时间不同而有差别。结合取水泵站泥沙淤积物理模型试验研究成果,取水泵站淤积区主要发生在前池、过滤池末端、吸水间和消防泵附近,建议在这些区域安装射流冲沙装置,实现不停机状态下的减淤清淤,提高取水安全保证率,从而提高运营效益。     

不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,本文使用Fluent软件,采用大涡模拟对雷诺数Re=3 900下的6种不同倒角半径的三维柱体进行了研究。在模型验证基础上,分析了由方柱渐变到圆柱过程中后方流场速度的时均特性及瞬时涡脱落变化规律,给出了不同倒角半径下的升、阻力系数值及无量纲涡脱频率St数。分析结果表明:平均阻力系数随倒角半径的增加而降低,在倒角半径为0.2D时下降速率最大,相较方柱降幅达到50%;升力系数均方根在倒角半径为0.1D~0.2D时变化最显著,减小约93%; St数随倒角半径增加而增大,在倒角半径为0.4D时可达到最大值;回流区长度随倒角半径的增加呈先增大后减小的趋势,其长度在倒角半径为0.2D时达到最大;尾涡宽度在倒角半径为0.0D最大,后随倒角半径增加逐渐下降,且当倒角半径大于0.2D以后变化不大。本文研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。