深海多金属结核开采系统中的计算机系统

深海多金属结核开采系统中的计算机系统华克强，朱齐丹，赵连惠（哈尔滨工程大学）１深海多金属结核开采系统介绍深海矿产资源的开发是人类利用海洋资源的一个重要部分，世界大洋底沉积着极为丰富的多金属结核，其中含有几十种元素，尤以铜、铁、钴、锰含量最高，也是最有...     

我国深海多金属结核采矿试验之初论

文章在分析国际深海资源勘探活动最新进展的基础上,针对我国"十三五"国家重点研发计划"深海多金属结核采矿试验工程"项目的总体目标、主要内容、组织模式等进行了介绍,对目前国际社会普遍关注的深海采矿与环境保护、商业开发时机、国际深海开发规章等问题进行了分析,对后续我国深海采矿试验工作提出了建议。     

深海多金属结核生长模拟及宏观形貌研究

研究旨在提出深海多金属结核生长的数值模拟方法,以获取典型的结核宏观形貌,为后续结核输运过程的冲击碎裂仿真提供几何模型。根据已有的深海多金属结核采样研究结果,假定矿物沉积速率满足正态分布。将多阶段时变随机沉积模型嵌入ABAQUS UMESHMOTION子程序中,通过控制网格节点移动实现了结核多阶段随机生长模拟,给出了结核不同生长阶段的外形及截面特性模拟结果。分析了鱼骨、鲨鱼牙齿、板岩、鹅卵石等典型不同核心物质及矿物沉积速率变异性对结核生长过程的影响,确定了核心物质在海床淤泥中埋置深度对结核生长形态的影响。研究表明：基于网格节点移动的结核生长模拟技术可有效处理结核几何拓扑变化较小的生长过程,核心物质的初始形状及其在海床上的埋置深度是影响结核形貌的主要原因,而矿物沉积速率的变异性则主要影响结核表面的光滑度。     

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。     

中国多金属结核开辟区的深海环境

阐述了中国多金属结核开辟区深海环境的水文、生物和化学特征。开辟区海域水柱由表层混合层、温跃层、海底温跃层和海底边界层等不同水层构成，整个海域水动力条件总体上较为缓慢，但也存在着周期性的水流速度大于15cm/s的海底风暴；区内海底生态系统的显著特点是极低的生产力和生物过程速率，但生物多样性极高；整个区域内表层沉积物分布较均一，以低有机含量的硅质粘土、深海软泥为主，其化学组成上受沉积环境和早期成岩作用的影响和控制。     

深海“多金属结核富矿区”的喧嚣

世界洋底约有15%的面积被多金属结核覆盖,其中太平洋约23×106平方千米、印度洋约15×106平方千米、大西洋约8×106平方千米,总储量约3万亿吨。根据世界大洋底的地貌特征和构造位置以及多金属结核丰度、成分、地球化学特征,将世界大洋划分为15个多金属结核富集区,其中太平洋8个     

深海多金属结核物理特性及其对采输过程的影响概述

文章旨在确定深海多金属结核的物理特性,并分析其对采输过程的影响,以指导工程应用。总结了深海多金属结核开采的最新研究进展,通过对数据进行统计整理、回归分析,确定了结核形成机理及主要成分、在海底的分布特性、结核形态及构造、结核尺寸与重量关系、含水量、密度、孔隙特性及结核强度等关键物理特性。研究表明：结核形状多样,质松多孔隙,含水率高,近似均匀分布在海床上或浅泥层中。颗粒质量和尺寸联合概率分布具有长右尾特性,需使用更广义的联合概率密度函数copula才能准确建模。结核抗拉强度随结核直径增大按对数函数递减。此外,深海高压环境下结核的开采需更多能耗,且结核表现出更高的延性。结合固液两相流分析和颗粒沉降理论,分析了结核形状、尺寸、密度等主要参数对水力举升过程的影响,确定了颗粒破碎的主要方式和规律,总结了不同粒径级配输运造成堵塞的可能原因。     

浅谈深海多金属硫化物采矿的环境影响和保护措施

深海矿产资源开发及其环境保护问题近年来重新成为一个研究热点。深海环境极其复杂,人类对深海生物及其生态系统的了解仍十分有限,而深海采矿不可避免会对海洋生态环境造成影响,如不加强对采矿环境影响的研究并制定相关的保护措施,未来的深海采矿对海洋环境的破坏将无法估量。本文从深海采矿发展由来、多金属硫化物矿区环境、深海采矿技术发展、采矿环境影响和保护措施等几方面全链条系统地梳理了前人的研究成果,提出了深海采矿环境影响评价的发展方向,从而为今后开展深海采矿环境监测与保护提供参考。     

后台阶下游床面冲刷过程数值模拟研究

以床面瞬时剪应力作为泥沙起动及输运的水动力机制,建立了结构物周围复杂流场下床面局部冲刷的数学模型。并应用大涡模拟方法对后台阶下游三维湍流流动进行数值模拟,得到台阶下游床面瞬时剪应力的分布规律。为了确定床面瞬时剪应力与泥沙上扬通量的关系,先应用数学模型对不同模型参数下,冲刷开始后5分钟时台阶下游床面形状进行试算。通过试算与实验结果的比较,确定床面瞬时剪应力与泥沙上扬通量关系中需要的模型参数。进一步对冲刷开始后30分钟内台阶下游床面演化规律进行模拟,模拟结果与实验结果相符合。     

不同水力坡度对丁坝近区水流的影响

采用超声水位和PIV流速测量技术,对不同水力坡度下非淹没丁坝近区的水流结构进行了试验研究。结果表明,随着水力坡度的降低,在坝头处,紊动强度较大的区域逐渐向主流区及上游扩散;在坝后,跌水最低点逐渐下移,漩涡中心向丁坝侧边壁靠近。回流区长度与宽度的变化和水力坡度的变化无明显对应关系,但坝头近壁区的流速与坝后回流区的长度及宽度存在高度响应的线性关系。研究成果揭示了丁坝在不同水力坡度下调整水流结构的机理,同时对各家测量得到的回流区长度不等有了较明确的答案,为工程中丁坝的设计及河道岸线的规划提供了科学依据。     

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.     

Numerical study on vertical structures of undertow inside and outside the surf zone

Nearshore shoaling and breaking waves can drive a complex circulation system of wave-induced currents. In the cross-shore direction, the local vertical imbalance between the gradient of radiation stress and that of pressure due to the setup drives an offshore flow near the bottom, called ‘undertow’, which plays a significant role in the beach profile evolution and the structure stability in coastal regions. A 1DV undertow model was developed based on the relationship between the turbulent shear stress and t...     

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。     

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.