海底天然气水合物绞吸式开采方法研究

 根据海底天然气水合物藏特点,结合绞吸式挖泥船工作原理和大洋多金属结核开采技术,提出了一种全新的绞吸式海底天然气水合物开采方法,克服了海底天然气水合物开采依赖构筑封闭开采环境的技术瓶颈;然后根据管道输送原理和两相流理论,对绞吸式开采方法的提升系统进行了水力参数分析。由分析结果可知,将体积浓度为15%~25%天然气水合物流体从1 000 m海底提升到海面所需泵的扬程为30~50 m;将体积浓度为10%~20%天然气水合物流体从4 000 m海底提升到海面所需扬程为90~150 m,现有的矿浆泵就能满足要求;由于天然气水合物和海底沉积物硬度较低,并且其混合流体的密度与海水密度相差不大,采用矿浆泵进行直接输送其对泵的磨损不会严重,能保证系统长期稳定的工作,证明了该开采方法在理论上是可行的。     

层间非均质含天然气水合物沉积物力学性质数值模拟研究

为探究含天然气水合物夹层的砂岩储层的力学性质及剪切破坏机理,采用离散元法制备含天然气水合物夹层的砂岩储层试样,进行了一系列双轴剪切试验。研究结果表明：当天然气水合物夹层的饱和度低于15%,且夹层厚度小于1/5时,砂岩储层整体强度降低;当水合物夹层的饱和度超过35%,含水合物夹层厚度超过1/2时,水合物夹层才能增强整个试样的强度。含水合物夹层的失效形式与上覆层和下伏层的失效形式不同,含水合物夹层的破坏主要归因于水合物颗粒与周围颗粒的胶结作用的破坏。     

基于边界二维CAD模型的三维离散元法边界建模方法

在采用离散元法分析散粒物料与相关机械部件的接触作用时,如何建立复杂结构和不同运动方式机械部件的离散元法分析模型,已成为离散元法工程应用需要解决的主要问题.运用一种基于机械部件二维CAD模型(CAD软件设计图)建立其三维离散元法分析模型的方法,即利用AutoCAD功能强大的二次开发包并综合运用投影匹配、智能辅助线以及人机交互等方法,建立机械部件三维离散元法分析模型的方法,从而实现了由机械部件的CAD模型进行机械部件的离散元法性能分析,为相关机械部件的数字化设计和虚拟设计提供了一种新方法和新工具.     

海底天然气水合物水力提升系统参数和提升性能作用规律

运用MATLAB软件分析天然气水合物水力提升系统水力损失、矿浆泵扬程与系统中固相体积分数、系统流量、颗粒粒径、管道直径之间的理论关系;建立绞刀头工作三维流场模型,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件对绞刀头工作区域内固液两相流场进行数值模拟,比较不同工作参数下流场出口和入口固相质量的比值达到95%时所需的绞吸流量。研究结果表明:当绞吸流量为1 000～1 300 m~3/h时,切削头绞吸效率最高,在该区间内,绞刀大环外径的分布范围为0.9～1.0 m,绞刀横移速度分布范围为0.07～0.11 m/s。     

三维离散元法软件开发研究

提出由机械部件的CAD模型建立其三维离散元法分析模型,在此基础上实现CAD软件与自主研制的三维离散元法分析软件的集成,从而构建一种集设计和性能分析评价为一体的与散粒材料接触作用的机械部件的通用数字化设计方法和集成设计分析软件,为相关机械部件结构和尺寸参数的优化设计奠定了基础.介绍了自主研制的三维离散元法分析软件的结构、主要功能及关键技术的实现方法,包括提出的实边界和虚边界的概念等.     

天然气水合物开采方法的研究综述

天然气水合物(简称水合物)是天然气(主要成分甲烷)和水在高压和低温条件下形成的类冰固体化合物.我国将水合物开采研究归入战略发展规划.本文首先介绍水合物地层成藏和分类以及适合大规模商业化开采的地区;然后系统地总结了当前提出的水合物开采方法和适用条件,重点介绍了机械-热联合开采水合物方法的工艺流程和基本科学原理;阐述了水合物开采涉及的热传导、相变、渗流和应力变化4个效应,说明了水合物开采过程中各个物理量演化的特征,作为水合物开采与相关监测的理论基础;最后分析了国内外现场试验性开采的研究进展,并指出了未来水合物开采的研究方向.     

天然气水合物输送管道的压力损失规律

为了研究海底天然气水合物绞吸式开采水力输送系统中管径、流速、体积分数和颗粒粒径对输送系统压力损失的影响规律,确定各参数的合理选择范围;建立输送管道三维流场模型,采用控制变量的方法,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件对输送管道内固液两相流场进行仿真分析。研究结果表明:输送系统压力损失梯度随管径的增大而减小;当管径增大到0.4 m时,继续增大管径对压力损失梯度影响越来越小;压力损失梯度随浆体流速的增大先减小后增大,存在1个最优流速,在2.5～4.0 m/s之间,且颗粒粒径和体积分数越大,对应的最优流速就越大,压力损失梯度随体积分数的增大呈线性增大;压力损失梯度随着颗粒粒径增大而增大,但增大幅度很小。     

轨道车辆切削式吸能过程仿真

利用金属切削过程吸收能量的原理, 在金属切削研究和轨道车辆吸能研究的交叉领域内,提出一种利用切屑生成过程进行吸能并用于轨道车辆被动安全的新型切削式吸能装置.根据非线性动态模拟理论,利用显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA对该切削式吸能装置的吸能过程进行三维仿真,得到该装置在撞击过程中能量吸收和切削力的时程曲线.研究结果表明:与现有吸能装置相比,切削式吸能装置可以在更短的时间内吸收撞击能量,而且吸能能力更强;切削式吸能装置具有更强的降低撞击力峰值的能力,而且撞击力到达第1个峰值的时间也有所延迟.     

海水提升法试采南海天然气水合物的可行性分析

海洋天然气水合物的开采方法是当今天然气水合物研究的一大热点.通过对南海海域天然气水合物成藏机理的分析,提出了使用海水提升法开采海底天然气水合物的新模式.介绍了海水提升系统的组成和工作原理,提出了水力输送设备的相关参数,并对使用该方法的产气量及能效进行了简单评估.结果显示这种方法具有产量大、能效高的特点,运用该方法在南海采集天然气水合物是可行的.海水提升法开采天然气水合物克服了其他传统天然气水合物开采方法面临的技术难题,为海洋天然气水合物的开采研究提供了一种新思路及技术支撑.     

采掘机器人滚筒式采集头载荷谱计算机模拟

从国内外深海开采锰结核的经验出发,通过分析比较钴结壳最新研究成果,提出了深海开采富钴结壳采掘机器人滚筒式采矿头的方案;通过对其切削破碎钴结壳载荷波动性的分析,建立了其载荷波动的数学模型,编制了模拟计算采集头载荷及其波动性指标的计算机程序,并对设计的深海钴结壳采集头理论模型的载荷特性进行了模拟和分析,为设计和优化深海钴结壳采掘机器人滚筒式采集头提供了设计依据.     

基于Fluent的射流喷嘴结构设计与优化

合理地选择射流喷嘴参数,实现天然气水合物的固态硫化开采,是促进天然气水合物商业化采掘的关键因素之一.利用Fluent软件建立不同结构参数的单喷嘴流场湍流模型,仿真分析了5种不同结构尺寸的喷嘴对水合物射流破碎的影响,并通过正交试验对单喷嘴结构参数进行优化.仿真结果表明:喷嘴出口处带有扩散角时有利于利用水射流的能量,达到良好的射流破碎效果;最优的喷嘴结构参数为,入口直径D=2.0mm,过渡段直径d0=0.8mm,过渡段长度l=4mm,收缩角α1=24°,扩散角α2=10°.     

反倾岩质边坡破坏与加固分析

路桥、水利工程中存在很多含有不连续结构面的反倾岩质边坡,结构面的接触机理对边坡的整体稳定性产生影响,甚至起到控制作用.本文基于强度折减法,把三维离散元法引入到反倾边坡的稳定性分析中,采用三维离散元法研究不连续面摩擦角等对边坡稳定性的影响,并采用加固措施对边坡的失稳破坏进行加固处理,加固效果明显.     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

凸轮轴加工毛刺试验分析

本文以凸轮型面为研究对象,结合切削线速度、进给量和切削深度三个因素对毛刺的影响,进行切削加工过程切削工艺试验和参数优化。研究表明：（1）毛刺厚度、高度和最大切削力随切削线速度的增大而减小;（2）毛刺厚度、高度和最大切削力随单齿进给量的增大而增大;（3）毛刺厚度和最大切削力随切深的增大而增大。因此,可以通过增大切削线速度、减小切深及每齿进给量来抑制毛刺的生成。这些研究结论对凸轮轴切削加工中的毛刺生成问题,具有重要的工艺指导价值。     

基于离散单元方法的岩石切削数值模拟分析

在岩石切削过程中,岩石的破坏形式对切削效率和切削参数的选择有重要的影响.本文为了研究岩石破坏形式的影响因素,利用颗粒流软件(PFC2D)建立了由颗粒簇组成岩石试样的数值仿真模型.通过大量的单轴压缩仿真实验和巴西仿真实验,确定了颗粒微观参数和岩石宏观参数之间的关系;研究了不同切削深度以及有无液柱压力情况下,岩石的破碎形式和过程.研究表明,当切削深度比较浅时,岩石主要为塑性破坏,表现为粉末状的颗粒在刀尖不断的堆积;当切削深度达到一定值后,岩石将会发生脆性破坏,表现为裂纹从刀尖开始沿着切削方向扩展,最终扩展至自由面而形成较大的切屑;颗粒簇法向强度比值影响着岩石切削过程中裂纹的扩展情况以及岩屑的形态;液柱压力对岩石的破坏形式也有很大的影响,随着液柱压力的增大,岩石破碎情况从平衡钻井时的切屑掉块变为过平衡钻井时的挤压破碎.     

铲式成穴器成穴性能的离散元法仿真

针对铲式成穴器对土壤的动态破坏过程,提出采用离散元法研究成穴器的成穴性能.建立了成穴器与土壤的二维离散元仿真分析模型,通过施加合理的力学模型进行成穴器工作过程的离散元仿真分析.由仿真结果可知:随着工作速度的加快,土壤的扰动明显加剧,回流覆盖效果变差;随着土壤含水率的增加,土壤的团聚现象明显,土壤流动性变差.将仿真计算结果与理论分析结果对比,两者的变化趋势基本一致,由此初步说明了采用离散元法分析铲式成穴器成穴性能的可行性.     

不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩机制

为了研究TBM盘形滚刀在不同动静载荷组合作用下切削花岗岩过程中的切削特性,在动静载荷组合作用下对盘形滚刀进行受力分析,采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维数值模型,研究破岩过程岩石内部的裂纹扩展情况、内应力分布情况以及盘形滚刀的贯入度和破岩比能耗,分析在不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩的情形,得到破岩效果最优的动静载荷组合。研究结果表明:随着静载荷和冲击动载荷增加,盘形滚刀的贯入度增加;盘形滚刀在动静载荷组合作用下破岩过程分为3个阶段,岩石内部应力基本符合J.Boussinesq应力圆规律;动静组合载荷作用下,岩石内部萌发的侧向裂纹比中间裂纹扩展得更快,以受拉破坏为主;破碎体积、贯入度和破岩效率相对于单一静载或单一动载有很大的提高;合理选取动静组合载荷能使破岩比能耗最小,破岩效果最好。     

海洋天然气水合物测井评价研究进展

资源量巨大的天然气水合物越来越引起人们的重视。针对目前海洋天然气水合物储层的测井评价问题,介绍了海洋天然气水合物的晶格结构、物理性质、分布形式和形成条件,结合天然气水合物的物理性质和储层特征,分析了海洋天然气水合物的常规测井响应特征。根据大量文献调研,得出目前利用测井方法求取天然气水合物储层的孔隙度和饱和度等参数的主要方法,对南海神狐海域含天然气水合物储层的实例站位进行泥质含量、天然气水合物饱和度评价。提出实验室合成人工岩芯研究天然气水合物时,需考虑泥质的存在。通过总结海洋天然气水合物测井评价研究进展的调研成果,为今后大规模海洋天然气水合物的储量预测及勘探开发提供重要依据,对天然气水合物资源的有效开采具有重要现实意义。     

2种切削顺序下TBM刀具破岩机理的数值研究

为研究切削顺序对全断面岩石掘进机(TBM)刀具破岩机理的影响,基于二维离散单元法,利用离散元仿真软件建立无围压条件下2把TBM刀具同时、顺次切削节理不发育岩石的仿真模型.在此基础上设计1组数值试验,模拟TBM刀具在不同刀间距下分别以这2种方式切割岩石时,岩石裂纹生成、扩展和岩石破碎块形成的全过程.最后,利用滚刀回转实验台对顺次加载方式下岩石的破碎模式进行验证.研究结果表明:切削顺序决定了岩石的破碎模式,但并不影响最优刀间距;当刀间距大于80mm时,顺次加载方式的破岩效率不再高于同时加载方式下的破岩效率;在2种加载方式下,岩石应力场的分布基本对称;破碎块的形成与侧向裂纹的交汇密切相关.     

三维非轴对称饱和土动力刚度矩阵

基于三维非轴对称饱和弹性土层动力响应分析的基本解,推导出有限厚饱和土层和饱和半空间精确动力刚度矩阵,再由层间内界面连续条件建立三维非轴对称分层饱和土体总刚方程。该方法不要求对土体自然层(有限厚度)作薄层离散,也可方便处理层内荷载的影响;总刚方程可直接用于计算边界元法中边界积分方程要求的影响函数(GREEN函数)。