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。     

基于康达效应的深海多金属结核采集装置参数匹配

随着陆地资源的日益短缺,深海矿产资源将成为人类未来社会经济可持续发展的重要保障。采集装置作为深海采矿系统的重要组成部分,不仅要解决采集率问题还要关注采矿活动造成的环境扰动。基于康达效应与CFD方法,获取采集装置不同运动状态下的流场数值模拟结果,精细划分流场内部结核各运动阶段的迁移状态,并使用射流角度与凸曲面壁半径控制变量,探讨采集装置参数对流场特征的影响,进而优化采集装置参数匹配。结果表明：1) 采集装置射流角度和凸曲面壁半径的增大,增加了流场均匀度,使得动能更集中于底部区,采集装置运动速度的增加会增强凸曲面壁下康达效应,当速度为0.5 m/s时,内部流场较为稳定;2) 采集装置射流角度、凸曲面壁半径与结核升力指数和曳力存在显著相关性,一定范围内,升力指数随着采集装置射流角度变大或凸曲面壁半径变小而升高;3) 分析对比结核运动阶段中迁移变化,当采集装置离底高度为80 mm,射流角度为45°,凸曲面壁半径为350 mm,采集装置运动速度为0.5 m/s时,结核能够精准进入吸入口。研究结果可为深海多金属结核采集装置的设计与研发提供重要参考。     

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。     

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。     

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。     

三种叠放形式的圆管型人工鱼礁流场效应数值模拟与PIV试验研究

人工鱼礁单体按不同的数量和排列方式组合投放会产生不同的流场效应。圆管型礁为目前黄渤海区增殖礁的重要礁体型式,为优化该礁体的投放数量与排列方式,选择了3种不同叠放个数(1个、3个和6个)的圆管礁,设定了5个流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s),利用PIV粒子图像测速技术和Fluent数值模拟软件对圆管型人工鱼礁的流场进行水槽模型试验和数值模拟。结果表明,数值模拟结果与水槽试验结果基本吻合,误差在20%以下,表明数值模拟能够反映人工鱼礁的流场效应;当礁体叠放个数一定时,最大上升流流速、上升流高度和上升流面积均随来流速度的增加而增大,背涡流面积呈现不规则的变化;当来流速度一定时,最大上升流流速、上升流面积、上升流高度和背涡流面积均随礁体叠放个数的增加而增大。     

点吸收柔性泵波浪能装置的设计与试验研究

点吸收波浪能转换技术是一重要研究方向,其模型试验是该技术的重要基础。文中介绍了一种新型点吸收柔性泵波浪能转换装置,其能量转换主体由振荡浮子和柔性泵组成。建立了该装置的模型水槽试验,分析了波浪要素和柔性泵结构对系统功率转换特性的影响。试验结果表明柔性泵的进出口面积比例和面积大小对模型的转换效率影响较大,柔性泵的进出口面积比值为0.6,出口面积为7.85 cm～2时,装置的平均转换效率较大。该模型试验可以为同类型装置转换效率评估方法提供参考。     

旅游消费增长的综合测度与空间效应研究 ——基于沿海地区的实证分析

文章针对国内已有研究测度旅游消费增长较少,以及未考虑空间效应等不足,系统构建了基于旅游消费水平、旅游消费结构、旅游消费质量与旅游消费环境的旅游消费增长综合评价体系,测算2007—2018年沿海11个省(自治区、直辖市)旅游消费增长综合指数,并进一步运用空间杜宾面板计量经济模型,分析沿海地区的旅游消费行为、影响因素及空间效应。研究发现:近年来沿海地区旅游消费增长明显并存在显著的空间溢出,与旅游产业建设资金显著负相关,与旅游从业劳动力、技术创新及交通条件显著正相关。未来建议进一步加强沿海地区旅游消费增长的区域协同,推进旅游产业供给侧改革,优化提高旅游产业要素配置效率与发展质量,充分发挥旅游消费增长的空间溢出。     

五圆柱体结构群绕流特性及互扰效应研究

基于Fluent流体计算平台,运用大涡模拟方法对亚临界雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流特性进行研究,主要分析来流攻角α与间距比L/D两个关键参数对五圆柱体结构群的尾流区三维涡结构演化与流体力系数的影响,并揭示其内在流动互扰机理。研究表明:来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群流动控制及互扰效应的影响显著。在小间距比工况下,观察到柱体群间隙区域内流体高速流动的现象,导致五圆柱体之间的互扰作用十分强烈。间隙流对中间圆柱体和下游圆柱体有较强的冲击作用,对其表面的流体力分布特性有显著的影响。另外,大间距比工况下,当α=0°与L/D≥5.0工况时,柱体群尾流效应强于其间隙流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时,位于下游与中间处的圆柱体流体绕流特性存在较大差异。而当α=45°与L/D≥6.0时,位于上游与中间处的圆柱体尾流区均会产生正负交替的漩涡结构。     

海上退役平台改作鱼礁体的稳定性及流场效应研究

海洋油气平台在达到作业寿命后必须进行废弃处置,将海上退役平台改作人工鱼礁投放,对优化渔业资源、促进海洋经济持续发展具有重要意义。基于平台拆卸结构,共制作了箱状、管状、柱状、网状4种典型鱼礁实物模型,通过室内模拟试验和数值模拟研究,分析了不同鱼礁类型单体的稳定性和流场效应。结果表明：开口率0.1至0.8的箱状礁的稳定性均能满足要求,但开口率高于0.6的箱状礁难以形成连续的背涡流区域,设计时应使开口率低于0.6;管状礁应选择堆叠放置方式投放,且堆叠层数与稳定性和流场造成能力均呈正相关,在设计时尽量提高管状礁的堆叠层数;柱状礁设计时应尽量降低其重心,并减小迎流投影面的中空面积投放;基于平台的钻井架、火炬臂、栈桥设计的3种网状礁,均满足礁体稳定条件,且均能形成大范围的背涡流区域,可作为人工鱼礁投放。研究成果为平台造礁礁体结构设计提供了理论依据与实践基础,对海上退役平台的废弃处置具有一定的参考价值。     

Numerical study on the characteristics of flow field and wave propagation near submerged breakwater on slope

In this study,characteristics of flow field and wave propagation near submerged breakwater on a sloping bed are investigated with numerical model. The governing equations of the vertical twodimensional model are Reynolds Averaged Navier Stokes equations. The Reynolds stress terms are closed by a nonlinear k ε turbulence transportation model. The free surface is traced through the PILC-VOF method. The proposed numerical model is verified with experimental results. The numerical result shows that the wave profile may become more asymmetrical when wave propa-gates over breakwater. When wave crest propagates over breakwater,the anticlockwise vortex may generate. On the contrary,when wave hollow propagates over breakwater,the clockwise vortex may generate. Meanwhile,the influenced zone of vortex created by wave crest is larger than that created by wave hollow. All the maximum values of the turbulent kinetic energy,turbulent dissi-pation and eddy viscosity occur on the top of breakwater. Both the turbulent dissipation and eddy viscosity increase as the turbulent kinetic energy increases. Wave energy may rapidly decrease near the breakwater because turbulent dissipation increases and energy in lower harmonics is transferred into higher harmonics.     

单向流定床床面上水平管道周围流场与切应力分布特性

采用简化PIV方法,对悬空比G为0～1.6的单向流定床床面上水平圆柱绕流进行了系统的试验研究.通过对试验资料的分析,给出了圆柱绕流时的流场图和无量纲的床面、横管顶部和横管底部切应力的变化图,讨论了切应力随悬空比、管径、流速和水深的变化趋势.作者的研究成果有利于进一步研究海底管道的冲刷机理和冲刷坑的形成,进而有针对性的进行管道保护,减少管道破坏失效.     

基于压磁效应的锈胀开裂混凝土梁疲劳性能试验研究

开展了5根锈胀开裂钢筋混凝土梁疲劳试验并实时记录了梁表面的钢筋压磁信号,研究锈胀开裂混凝土梁的疲劳特性和压磁信号演化规律。结果表明梁疲劳寿命随钢筋锈蚀率增大而急剧减小,梁破坏时混凝土剥落,纵筋发生疲劳断裂;磁信号时变曲线随疲劳进程不断演化,在临近疲劳破坏时曲线形态发生明显畸变,能够反映梁疲劳损伤信息;磁感应强度变化幅值的发展符合三阶段特性,在疲劳初期和破坏前增长明显;磁感应强度变化幅值对钢筋锈蚀敏感,随锈蚀率增加而增大,因此建立了疲劳作用不同阶段磁信号幅值和梁内钢筋锈蚀率的相关关系。