水下输液管道动力特性研究

该文研究水下横向输液管道的动力特性 ,假定管道系统承受外界均匀流的作用 ,同时考虑管内流体流动的影响 ,建立了水下输液管道侧向振动的微分方程。采用 Hermite插值函数和Galerkin法离散得到其有限元标准形式。研究管内流动为恒定流时输液管道长度、内部流体流动速度对管道动力特性的影响及管内流动含有谐波挠动的情况下输液管道固有频率的变化。结果表明 ,在管内恒定流动的情况下 ,输液的自振频率随管道长度及管内流速的增加而降低 ,同时管内流动的谐波挠动对管道的自振频率也有影响。     

粗颗粒水下管道输送系统振动的实验研究

浸没于水中的粗颗粒管道输送系统,由于受到泵、内部两相流及外部流体三者的耦合激励,管道系统振动将对管道输送参数和安全稳定性产生严重影响。为了深入分析水下管道输送系统工作时振动的特性,设计了一套振动测试,对管道系统振动进行了测试,获取管道在不同工况下的时域波形,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。试验结果表明:随着输送体积浓度增加,X与Y方向的最大振动幅度随着体积浓度增大而增大,但是Z方向的最大振动幅度则是随着体积浓度增加而降低;同一输送浓度情况下,Y方向振动幅度最大,X方向次之,Z方向最小;随着输送浓度提高,流体紊流引起的管道振动加剧。这些结论将为深海采矿管道支撑结构设计和减振提供参考。     

长条状粗颗粒在垂直管路中最小输送速度试验研究

随着陆地金属资源的日益枯竭,深海矿产资源已经成为各国的重要战略目标。在深海采矿过程中,海底锰结核的形状除了圆球状,还有长条状等,颗粒形状对固液两相流管道输送特性具有很大影响。基于固液两相流垂直管道提升输送试验系统,探究不同工况下长条状颗粒在垂直上升流中最小输送速度的变化规律及特性,并得到了长条状群体颗粒最小输送速度计算公式。结果表明:长条状颗粒在垂直管道中上升过程中,颗粒中心轴与输送方向趋向于垂直,使颗粒在管道截面的投影面积最大化;长条状单颗粒的最小输送速度随着颗粒长径比增大而减小;在不同长径比工况下,随着管段颗粒平均浓度减小,长条状群体颗粒的最小输送速度均增大,且随着长径比增大,群最小输送速度减小。     

海底矿石软管中水力输送数值模拟研究

海底矿石在软管中的水力输送是深海采矿的重要过程。采用计算流体动力学—离散元耦合的计算方法（CFD-DEM）,对矿石颗粒在软管中的输送进行数值模拟,重点关注矿石颗粒的运动、分布规律以及管壁受到的颗粒作用力,分析输送速度和输送浓度（入射颗粒的体积分数）对输送过程的影响规律,探索管道中易发生堵塞、易受颗粒磨损的区域。结果表明,软管中颗粒的动力学特性与管道倾角、输送速度和输送浓度有关。颗粒主要沿管道截面底部推移,倾角较大的上升段出现处于悬移状态的颗粒;管道横截面内颗粒运动速度从上至下递减,截面中心处颗粒的速度接近输送速度。输送过程中颗粒的局部浓度（该区域颗粒与固液两相流的体积比）始终大于输送浓度,局部平均速度始终小于输送速度。上升段颗粒体积分数大于下降段,颗粒速度小于下降段。管道拱顶和谷底位置管壁所受颗粒作用力最明显,管壁最可能受颗粒磨损。     

海洋环境荷载下输液立管的静、动力特性研究

考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用 ,建立海洋立管侧向运动微分方程。用Hermite插值函数离散 ,在微机上编写海洋立管静、动力分析程序 ,通过计算分析研究管内流体对立管侧向变形和应力的作用 ;另外 ,探讨管内流体的流动速度和立管顶端的预张力对立管动力特性的影响。结果表明 ,立管变形和应力均随管内流体流动速度增加而增大 ,同时内流速度的增大会降低立管的固有频率 ,但适当增大立管顶端预张力会抵消内流流速增加引起的固有频率下降。     

深海采矿系统水平软管水力输送阻力损失规律研究

目前公认的深海采矿系统是利用管道水力将深海底矿石提升到海面采矿船上。由于受海底破碎条件和废水排放环境要求,输送的深海矿石粒径较粗。粗颗粒具有极易沉积的特点,输送参数也较难确定。通过自行设计的管道水力输送模拟系统,研究了不同浓度、粒径、速度条件下粗颗粒在水平管道中的运动状态及阻力损失的变化规律。研究结果表明:(1)随固液两相流流速的增大,水力坡度呈现规律性变化,且阻力损失的变化规律与粗颗粒运动状态存在一定的关系;(2)通过引入管道附加损失与福氏数,建立了颗粒运动状态与阻力损失之间的定量关系,提出了粗颗粒在水平管道水力输送条件下流态分区的判定标准;(3)分析了管道附加损失的影响因素,提出了管道附加损失的计算公式。研究结果为粗颗粒管道水力输送系统参数设计提供依据。     

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。     

海底输液管道内流、轴向力和压强对允许悬空长度的影响

以海底悬跨段输液管道为研究对象,考虑管内流体流动及管道轴向力和压强的作用,对其进行受力分析,导出管道振动微分方程。由于内流流速项的影响,使得导出的管道振动微分方程不能用振型分解法直接求解,故本文将解表示为具有正弦和余弦的对称和反对称的各个空间振型的总和,从而求出悬跨段管道固有频率。为防止管道发生横向涡激振动,用约化速度作为控制条件,求解出管道允许悬空长度。结果表明,管道允许悬空长度随着内流流速、轴向压力和管内压强的增加而减小,随着轴向拉力的加大而增大。     

考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析

通过对管道的涡激振动试验,提出了考虑流固耦合的非线性涡激升力表达式,并用该式进行了海底管线悬跨段非线性动力响应时程分析。对考虑流固耦合与未考虑流固耦合情况下得到的管道动力响应时程进行对比,算例表明:当管外流场流速与管道顺流向振动速度值较接近时,不考虑流固耦合时的计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果。分析认为,在管外流场流速与管道顺流向振动速度值较接近的情况下,管道的涡激振动计算宜采用非线性涡激力模型。     

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。