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。     

大气垂直速度计算中校正方法的探讨

本文对大气运动中垂直速度ｗ计算中的几种校正方法作了分析比较，并在前人工作的基础上，对校正方法作了改进，提出了进行低通滤波、散度校正和法线风分量校正的方法。通过这些校正，使计算出的平均散度和垂直速度的垂直廓线能维持原计算曲线的形式，并能满足整个气层连续方程积分为零的条件，也符合误差随高度增大的情况。     

粗颗粒两相流计算方法研究

针对具有颗粒粒级跨度大且粒径大特点的固液两相流系统,如深海采矿系统等,开发新型粗颗粒—均质浆体计算模型,该模型采用欧拉—拉格朗日计算法,大粒径颗粒视为固相粗颗粒,其余视为细颗粒与海水组成液相均质浆体。固—液相间滑移速度v_(slip)作为粗细颗粒划分标准,通过联立颗粒雷诺数Re_p,液相对颗粒绕流阻力系数C_d,颗粒粒径d_p等参数,得到滑移速度v_(slip)与颗粒粒径d_p的相关函数,获得粗细颗粒的划分粒径,进而得到两相流控制方程。利用CFD软件,使用该方法对粗颗粒固—液两相流垂直管提升系统进行仿真计算,并将所获得的仿真结果与已发表成果进行对比,发现数据较为吻合,从一定程度上验证了该计算模型的准确性。     

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。     

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。     

石油污染物在海滩颗粒体系中吸附规律的研究

以0#柴油为研究对象,探讨了石油污染物在海滩颗粒体系中的吸附规律,考察了吸附剂(沙粒)的粒径、海水盐度和温度三因素对吸附作用的影响,并对吸附机理进行了分析。结果表明,颗粒物对溶解油的吸附速率较快,其吸附量与沙粒粒径成反比,与盐度成正比,而温度的升高不利于吸附过程的进行。溶解油在颗粒物上的吸附为物理吸附,其吸附模式符合Henery等温吸附式。     

Experimental study on settling velocity of soil particles in dredged slurry

Studying sedimentation and consolidation of dredged slurry has significant implications to the design of storage yard and subsequent ground improvement. In this study, settling velocity of soil particles in dredged slurry during sedimentation and consolidation processes was investigated using an improved multilayer extraction sampling (MES) method. A series of sedimentation column tests were performed on dredged slurry with three different initial water contents. Distributions of volume of soil particles and density of dredged slurry were first obtained by the MES method, settling velocity of soil particles was then calculated by volume flux function approach. It was found that the density and velocity inflection points can be used to distinguish the settling zone and the consolidation zone. The experimental results reveal that the velocity of soil particles was quite low and monotonically decreased with sedimentation height at low initial water content throughout the whole test period, whereas it was increased at 0–1 hours and almost remained constant at 1–7 hours in the settling zone at high initial water content. The effects of initial water content on sedimentation and consolidation mode of dredged slurry and the settling velocity of soil particles were discussed. The relationship between settling velocity of soil particles and particle diameter was also studied. It is indicated that the measured velocity of soil particles was much lower than that calculated by the Stokes equation, and it was related to 0.4881–0.5906 order of particle diameter at 0–1 hours and 0.1117–0.1825 order of particle diameter at 1–7 hours for the test slurries.     

深海采矿系统长距离垂直输运管道力学性能研究

深海采矿系统中的长距离垂直输运管道在工作中具有复杂的流固耦合力学特性,在生产作业中其结构安全性和可靠性面临严峻考验。建立深海采矿系统从海底到水面的完整模型,采用集中质量法对于其中的长距离垂直输运管道的环境载荷进行了研究,并将计算结果与模型试验测量值进行对比验证,重点分析管道顶部轴向张力和剪力的大小关系以及变化规律。分析结果表明:在深海采矿系统的长距离垂直输运管道中,轴向张力在结构载荷占主要成分,由波浪引起的结构轴向张力增加会达到管体自重的38%～48%。因此,选择合适的作业工况对降低结构载荷,加强结构安全性能有很大帮助。     

eSQG方法在南海垂向流速诊断中的应用研究

本文利用OFES模式0.1°×0.1°高分辨率温盐、流速和海面高度（SSH）数据,分析eSQG方法在南海垂向流速诊断中的适用性和南海垂向流速的时空变化特征。结果表明,基于SSH和eSQG的诊断垂向流速ω_eSQG与OFES模拟“真值”垂向流速ω_OFES整体量级基本相当,为O（10⁻⁵ m/s）,空间上呈现北强南弱。深海盆（水深大于1 000 m）ω_eSQG与ω_OFES的水平空间分布的相关系数r^s在次表层150 m左右达到最大,高于南海全海域的空间相关系数,表明eSQG在远离边界的深水区更有效。季节上,ω_eSQG总体夏强冬弱,与ω_OFES的相关系数r^s冬季大、夏季小,表明eSQG更适用于冬季南海垂向流速的诊断。eSQG诊断垂向流速在台湾西南部和越南以东适用性更高,与ω_OFES的时间相关系数r^t超过0.6;海盆南部和西北部陆架区诊断效果较差,时间相关系数r^t多小于0.2。同一区域ω_eSQG和ω_OFES空间相关系数存在18～55 d的周期变化。分析显示,海面高度与海面密度同相位分布时,ω_eSQG与“真值”ω_OFES更接近。时间分辨率对eSQG诊断效果几乎无影响,空间分辨率降低到0.25°时r^s整体增大,说明eSQG在中尺度诊断效果更好。     

裂流垂向分布实验研究

通过物理模型实验给出了沙坝海岸丁坝附近交叉波浪场形成的裂流沿裂流槽水深平均速度剖面中心线的垂向分布,研究了各个测量断面上横向速度、纵向速度以及速度矢量沿水深的分布特征。研究分析了沿岸方向驻波节腹点和裂流槽相对位置的影响以及规则波和不规则波结果的差异,得到了裂流速度时均值和时变值的结果。结果表明,纵向速度在不同的时间段上的平均值基本是相同的,但横向速度不是这样,其在不同时间段上的平均值在大小和正负号上都可能存在较大差别,这导致整个速度矢量在不同时间段上也表现出不同的三维分布特征。但这些不同的分布也存在着共同点,即沿水深速度矢量大部分存在着向丁坝方向偏转,这反映了丁坝存在的影响。特别是,纵向速度沿水深分布都可以采用统一的幂函数表达。     

水动力作用下管道稳定性的试验研究

利用振荡流水槽在以下两种约束条件下，研究波浪作用下直接铺设于砂质海底的管道失稳临界条件：1）管道两端自由；2）管道可水平、垂直自由运动，但流动受到限制。试验结果表明，管重无量纳数G与管道失稳的临界Fr数之间大致呈线性关系，而当G超过一定数值时，管道是侧向稳定的。管道的约束条件、砂床特性和加载速度对管道稳定性均有影响。     

基于CFD-DEM方法对海底管道床面冲刷的研究

采用计算流体力学—离散元耦合方法（CFD-DEM）模拟海底管道床面的冲刷过程。经过模型验证,该方法的计算结果与前人的研究具有较好的一致性,证明其可以应用于海底管道周围的冲刷模拟计算。冲刷初期的结果增强了目前对启动阶段粒子运动机理的理解,即管前后压力梯度造成的渗流作用导致粒子运动。对完整冲刷过程的模拟中,发现冲刷分为冲刷启动阶段、间隙冲刷阶段和尾迹冲刷阶段。间隙冲刷阶段管道下方粒子具有较大速度,冲刷坑快速向下方发展。进入尾迹冲刷阶段后,管道后方出现周期性脱落的涡旋,沙丘上的粒子速度更大。同时利用DEM更具直观性的独特优势,首次得到了14个典型位置处颗粒的运动轨迹和运动速度,对于理解冲刷过程中粒子的运动情况具有较大帮助。     

钙质砂颗粒形状及破碎特性试验研究

单颗粒强度及形状是影响钙质砂强度、变形和破碎的重要因素。以0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm粒径范围的钙质砂颗粒为研究对象,开展了颗粒形状及尺寸分类统计和单颗粒破碎试验,研究了力—位移关系、单颗粒强度—平均粒径关系和单颗粒破碎能量。结果表明：块状颗粒是钙质砂的主要形状颗粒,粒径较大颗粒的形状不规则程度较高。块状颗粒的破碎过程根据力—位移关系曲线中第一次颗粒破碎力、颗粒破碎峰值力和颗粒完全破碎力出现位置的不同分成5种情况,以颗粒发生多次破碎为特征的情况Ⅰ和情况Ⅱ出现次数最多,其余情况仅在0.5～1.0 mm粒径范围的颗粒中出现。单颗粒强度随平均粒径的增大而减小,1.0～2.0 mm和0.5～1.0 mm粒径范围的单颗粒强度分形维数分别为2.95和1.53,粒径较大的钙质砂颗粒更容易破碎。提出了钙质砂单颗粒破碎能量的简化计算公式,1.0～2.0 mm粒径范围的单颗粒破碎能量较0.5～1.0 mm的更大。     

带有柔性阻流器的海底管道冲刷防护试验研究

从管道尾流区泥沙颗粒的受力平衡着手,探讨了管道冲刷的临界压力差。在此基础上,提出了一种防止或减少管道冲刷的新方法,即在管道下方安装柔性阻流器。通过物理模型试验,研究了单向恒定流及规则波作用下,柔性阻流器对管道两侧床面压力、冲刷深度的影响。试验结果表明:柔性阻流器的安装能明显减小管道两侧床面的压力差。在单向恒定流作用下,管道的冲刷深度随阻流器长度的增加而减小;当阻流器达到临界长度时,冲刷消失。规则波时,因阻流器的扰动作用,冲刷深度有所增加;但随阻流器长度的增加,其扰动作用减小,对床面的防护作用增加,因而冲刷深度减小。