深海采矿软管输送特性研究

发布时间：2020-08-07 21:11

【摘要】：深海矿产资源已成为国际竞争焦点,深海海底开采矿产资源已成为不可阻挡的发展趋势。海底采矿活动难免会对海洋生态环境造成一定的影响,而集矿机结合管道提升的采矿系统采矿效率较高且对海底生态环境的影响较小,是一种环境友好型的深海采矿系统,具有良好的工业应用前景。该系统中的柔性软管是连接中间仓和集矿机的必不可少的重要环节,其受到的多种综合受力和空间形态对集矿机的受力影响以及软管安全输送参数具有很大影响。因此,软管的浆体安全输送和集矿机受力状态的研究对于深海采矿十分重要。根据实际深海采矿软管输送工艺,设计并建立了深海采矿软管输送模拟试验系统,分析了复杂工况下集矿机受力状态的变化特征和规律,探究单拱软管形态的安全输送速度以及突发停泵后双拱软管拱底沉积颗粒再起动运动状态和速度的变化规律,研究特殊形状颗粒在管道输送过程中的安全输送条件,提出输送参数优化。得到如下结论:(1)随着集矿机与中间仓之间水平距离的增加,输送软管对集矿机垂直方向上的分力基本不变,水平方向上的分力呈指数增长,输送软管对集矿机倾斜向上的拉力随之增大;其中,内流流体对集矿机的反作用力在垂直方向上的分力减小,而在水平方向上的分力增大。软管空间形态趋于平缓,单拱软管的浆体安全输送速度随之增大,双拱软管突发停泵后拱底角度增大,沉积颗粒的堆积形态发生变化,沉积颗粒的再起动速度均不断减小。(2)随着内流流速逐渐增大,内流流体对集矿机的反冲力增大,软管对集矿机垂直方向和水平方向的分力均呈减小的趋势。清水内流时,单拱软管形态下内流流体对集矿机的反冲力较大,有利于海底集矿机维持较好的运动性能。(3)随着内流浆体体积浓度的增高,集矿机受力状态的变化规律与清水内流时基本一致,但集矿机在垂直和水平方向上的受力大小明显减小。当浆体流速大于3m/s时,双拱软管对集矿机的力学作用较小,更有利于集矿机的安全行驶。单拱软管浆体的安全输送速度随着颗粒粒径、体积浓度的增大而增大。双拱软管突发停泵后拱底夹角减小,颗粒堆积高度增高,拱底位置沉积颗粒的再起动难度增大。在长条状颗粒垂直管道输送过程中,随着颗粒平均体积浓度减小,长条状颗粒群最小输送速度逐渐增大。(4)双拱软管拱底沉积颗粒在管道断面上所占比例随着浆体体积浓度的增大或拱底角度的减小而增大。无论是在扬动状态或连续推移状态,随着沉积颗粒断面占比的增大,沉积颗粒进入再起动运动状态的内流速度均不断增大。通过量纲分析法并结合实际情况,提出软管沉积颗粒两种再起动状态的起动速度计算公式。本研究成果可为实际深海采矿输送工艺参数优化提供参考依据,确保海底集矿机在作业过程中维持较好的受力状态,扬矿系统软管浆体输送保持安全、高效的输送状态。
【学位授予单位】：中央民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD50
【图文】：

技术路线图,技术路线,理论分析,方法

图１－３技术路线图逡逑

软管,物理模型试验,构型,方案

受力状态为主，无法具体地模拟出实际的输送软管空间构型，且考虑的软管形态影响因逡逑素也较少。在王志［６４】与肖芳其［６７］的研宄中，选取了相似系数Ｃｍ＝０．０１５来设计软管空间逡逑形态模型试验装置，如图２－２所示。在模拟试验设备的基础上，研究不同浮力配置方案逡逑下软管的空间形态的变化规律，以及分析不同软管空间形态下软管的输送状态。得到两逡逑１４逡逑

示意图,试验装置,示意图,软管

邋＿逡逑方案邋２（Ｆ＝Ｇ，均布，Ｄｉ＝０，Ｄ２＝Ｌ／２）方案邋１５０＾＝２１＾＝２０／３，集中，Ｂ！＝Ｌ／３，Ｂ：＝２Ｌ／３）逡逑图２－１两者优选软管初试构型方案逡逑２．２．２物理模型试验逡逑国内外己有部分学者针对软管空间构型的基本特性，基于相似理论，建立实际深海逡逑采矿软管输送系统的物理模型设备，通过模拟实验数据分析实际软管输送系统中软管的逡逑空间构型变化趋势。逡逑郭小刚［６１］通过建立一个小型的风洞试验设备，模拟并测定软管在海流作用下的动力逡逑学特性，在试验数据的基础上模拟实际输送软管的空间构型。此方法主要以研宄软管的逡逑受力状态为主，无法具体地模拟出实际的输送软管空间构型，且考虑的软管形态影响因逡逑素也较少。在王志［６４】与肖芳其［６７］的研宄中，选取了相似系数Ｃｍ＝０．０１５来设计软管空间逡逑形态模型试验装置，如图２－２所示。在模拟试验设备的基础上，研究不同浮力配置方案逡逑下软管的空间形态的变化规律

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