海浪和海流作用下的深海采矿输送系统参数分析

根据深海采矿输送管道在采矿船牵引下运动,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,采用有限元对输送软管进行了计算分析.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;海流和海浪对管道上端的结点反力有较大的影响,对管道下端的结点反力和管道的形状影响较小;采矿船运动对管道产生很大的阻力,对管道两端的结点反力和管道形状影响都很大.图8,表1,参9.     

单泵与储料罐组合的深海采矿输送设备

根据软管采矿系统对输送设备的要求,研究出由储料罐与高压水泵组合而成的新的输送设备,其原理为:首先采用高压水泵对海水加压,然后采用储料罐将矿石加入到高压水中,通过高压水将矿石从海底输送到海面.根据两相流理论和Bernoulli方程,建立了储料罐与高压水泵组合输送的水力输送设备的设计理论体系.对输送系统的参数进行计算分析可知,对于矿石体积分数为7%～12%的流体,1 000 m深海采矿中试输送系统的水泵扬程为100～150 m,3 000 m深海采矿输送系统的水泵扬程为400～450 m.由储料罐与高压水泵组合而成的矿石输送系统简单,避免了矿石颗粒与水泵直接磨损,适用于深海采矿软管输送系统.     

深海采矿扬矿管几何非线性静力分析

针对深海采矿输送系统中阶梯扬矿管承受轴向力过高容易断裂和连接部位容易出现应力集中的问题,提出一种低密度和高强度的碳纤维复合管应用于深海采矿输送系统.根据扬矿管在采矿船静止和等速拖航运动时,受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对碳纤维复合管和阶梯钢管进行计算分析.研究结果表明:当采矿船静止时,碳纤维复合管的弯矩和弯曲应力与阶梯钢管的差别很小,但碳纤维复合管的轴向力不到阶梯钢管的1/4,相比阶梯钢管,碳纤维复合管能承受更大的轴向载荷;当采矿船以0.5 m/s等速拖航时,2种扬矿管的轴向力、弯矩相比采矿船静止时变化不大,但碳纤维复合管的弯曲应力比阶梯钢管小一半,可克服阶梯管刚性连接时弯曲应力过大的缺点.     

软管空间形态的风洞试验和仿真计算

软管在深海采矿系统中是连接中继舱和集矿机的输送枢钮.在海洋工程领域,计算软管流体阻力采用莫里逊公式,其中阻力系数是双参数迎角和雷诺数的函数.用相似性原理进行风洞试验,测量了法向和切向阻力系数随迎角和雷诺数的变化关系.根据二元拉格朗日抛物线插值方法,计算得到软管移动过程中任意空间姿态时的阻力系数及相应的流体阻力.同时通过支座位移非线性迭代法结合空间梁结构非线性有限元分析理论加Newton-Raphson荷载增量法计算了软管空间形态随集矿机移动的变化过程.     

浆状管道输送的设计计算

本文对浆状管道输送系统及其特点进行了简要介绍.给出了两相流中主要设计参数,如浓度C、流体流动系数C_d、物料颗粒在液体中的沉降速度v_t、流体的临界速度v_d等的计算公式及选用图表.并给出了对于不同物料流动状态的压力损失计算公式及浆状管道输送的理论设计计算步骤.     

深海采矿扬矿硬管弹性体建模分析

深海采矿系统中,扬矿管受采矿船的航行速度及海浪、海流等因素的影响会发生横向偏移的问题.对带有集中质量的阶梯式扬矿管的横向偏移进行了建模,并用伽辽金(Galerkin)方法进行求解,通过计算机的模拟计算,分析了扬矿管在不同情况下横向偏移的特性.     

深海采矿扬矿软管流固耦合力学分析

采用三维流固耦合有限元模型,研究在复杂深海工况下扬矿软管的初始平衡构形、空间位移、主应力等特性,探讨外部海流速度内部矿物流体的提升速度、屈服应力、粘性系数以及软管的弹性模量等因素的影响.计算结果表明:随着集矿机向中间仓水平移动距离的增加,软管弯曲变形和侧向位移均增加;当流体的提升速度vi较低(vi≤4m/s)时,软管最大侧向位移Ymax与最大主应力σ1随vi的增大增幅均较小;:当vi较高(vi>4m/s)时,Ymax与σ1均随vi急剧增加;软管Ymax与σ1均随着流体屈服应力τ0的增加而增加,随着流体粘性系数μ和软管弹性模量E的增加反而减少;为确保管道系统的安全稳定,提高深海采矿效率,建议控制集矿机的工作行程(如100 m以内)和矿物流提升速度(如2.5～4 m/s),并采用有效的集矿方式(如延长集矿机内矿物破碎和脱泥时间、降低矿物粒径及矿物流浓度、减少泥沙含量等)以降低τ0和增大μ,同时选用弹性模量适中的软管材料.     

热油管道停输后初始启动压力波速的计算

热油管道停输后,管内油品降温收缩,管内会产生油蒸气空间,从而使管道再启动时出现启动充装过程。启动压力波速不仅取决于管子的弹性变形和油品的弹性特征,而且与流体的降温幅度和启动流量的大小有关。考虑管子、流体的弹性变形和管内液体的降温收缩,从质量守恒的原则出发,推导了热油管道停输后启动压力波速的计算公式。对长距离热油管道进行的现场试验表明,该公式适用于工程计算。     

深海S-lay铺设大直径薄壁管道的奇异摄动分析

文中利用奇异摄动理论得到了深海管道S-lay铺设过程中的构型解析解,并研究了不同张紧力、水深以及海流力对管道构型及弯矩的影响.同时,采用有限元法对深海大直径管道铺设过程进行了数值仿真,并与奇异摄动解进行了对比和验证.理论结果表明:其他参数相同时,适当增大张紧力可使管道构型更平缓,对铺管有利;海水越深,管道的构型越陡,靠近海底处管道的弯矩峰值越大,对铺管不利;当管道受到与铺设方向相反的海流力时,海流力越大,靠近海底部管道弯矩的峰值越大,对铺管越不利.     

深海采矿扬矿硬管内流作用下的涡激振动分析

为研究内流作用对深海采矿扬矿硬管涡激振动的影响,以Matteoluca改进的涡激振动结构和尾流振子耦合系统模型为基础,采用加速度耦合方式,用模态主振型函数对硬管微分方程进行了离散,对建立的内部流场作用下的深海采矿扬矿硬管涡激振动微分方程,计算分析了输送速度对硬管涡激振动固有频率和响应幅值的影响.结果表明,当输送速度使硬管固有频率在漩涡脱落频率附近变化时,结构和尾流振子耦合系统的振幅将会增加,系统的工作稳定性降低.为了保证管道输送的连续性,要避免采用使管线产生“锁振”现象的输送速度.     

重力热管伴热改善稠油井井筒传热损失的研究

根据重力热管作用原理,结合井筒传热过程,建立了稠油生产井中采用热管伴热方式时井筒热损失的计算模型,利用该模型分析了重力热管改善井筒热损失的原理。在此基础上,讨论了主要工艺参数对热管井井筒热损失的影响,结果表明：随着井底温度升高、产液量增加、热管下入深度加深,井筒热损失增大,其中,产液量对热损失的影响尤为显著。现场试验及理论研究表明：在不消耗额外能量的前提下,重力热管能够利用深部流体自身的能量提高井筒上部流体的温度,降低传热过程中的热损失,进而改善井筒温度分布剖面。该方法可以减小产出液在井下管道上升过程中的流动阻力,从而降低抽油机的负荷,实现低能耗对井筒流体加热的目的。     

Phase change driving mechanism and modeling for heat pipe with porous wick

According to heat pipe theory, capillary force is the only driving force for the circle of working fluid in heat pipe with porous wick. By developing a simulating circuit of liquid and vapor flow in heat pipe with porous wick, this paper presents a new driving mechanism which is from phase change of fluid. Furthermore, by analyzing transport process of working fluid between evaporation and condensation interfaces, a mathematical model is developed to describe this driving mechanism. Besides, calculating examples are given for heat pipe with water as working fluid to predict its driving force and flow resistance. By applying the model presented in the paper, thermal design and calculation for heat pipe with porous wick, especially for miniature heat pipe, can be made correctly, and phase change driving mechanism of working fluid can be explained, which thereby leads to a better understanding of heat transfer limitation of heat pipe with porous wick.     

深海采矿长管线系统布放过程的数值仿真

运用非线性有限元方法,将深海多金属结核开采系统的扬矿硬管、扬矿泵、中间仓和扬矿软管等部分等效为不同属性的管单元,建立了1000 m水深海洋试验系统扬矿子系统的有限元分析模型;采用Morison公式计算了水下管线的液动力载荷.基于该模型,进行了长管线系统布放过程的动力学数值模拟,得出了在不同布放操作模式下扬矿子系统的各种动态响应,尤其是软管初始构形的动态形成过程;仿真显示了在某些布放操作模式下,软管缠绕现象发生的全过程.研究结果表明:集矿机着底后,在下放硬管的同时,应通过集矿机的运动使软管尽早地形成马鞍形,以有效地消除缠绕现象.     

多层多跨刚架在水平荷载作用下的弹性位移计算

本文根据超静定结构位移计算原理,运用单位虚荷载法导出了多层多跨刚架在水平荷载作用下弹性水平层间位移计算公武。该公式表明:水平层间位移仅与任意一列柱计算层以下各柱的线刚度及柱端弯矩有关,具有明显的变化规律,易于手算并适合于自编程序电算。     

混砂车搅拌叶轮流固耦合模态分析研究

为了研究流体作用力、离心力及重力等载荷对混砂车搅拌叶轮模态的影响,建立了混砂车搅拌系统的三维模型,分别对叶轮的静态模态和预应力模态进行了分析。结果表明:各载荷对混砂车叶轮模态固有频率影响不大,叶轮在两种工况下固有频率变化较小,最大变化率仅为0.61%;在流固耦合作用下叶轮振型的第2阶及第3阶振型最大值有所减小,其他各阶振型最大值无显著增大。     

铜-水振荡热管的传热特性

测定了风冷垂直放置的蛇形弯曲封闭循环铜一水热管在不同充注率、加热功率下的热阻．根据实验现象及对热阻的比较，分析不同情况下振荡热管的传热特性，并用完全联接的多层前向神经网络和具有动量项的误差反向传递学习算法建立了振荡热管传热性能的人工神经网络理论模型．由于热管在不同充注率时传热机理不同，用统一的神经网络模型难以精确描述，因此建议分段建立理论模型．     

海洋资料浮标锚泊系统的系泊力计算

为了准确预报海洋资料浮标的受力及运动情况,建立了浮标锚泊系统的运动方程,提出了在海洋环境中作用在浮标及锚系上的各种外载荷的计算方法,得到了浮标的运动方程以及锚系的受力表达式。在计算锚泊系统的外载荷时,考虑了作用在锚系上的海流载荷以及由波浪载荷引起的波频运动对锚系的影响。通过算例在时域内对浮标锚泊系统的运动和张力进行了数值模拟计算,结果表明,该方法满足海洋工程中对浮标系统运动和受力分析的精度要求。