深海金属矿产资源开采系统对复杂工作环境的响应机理研究

Deep-sea mining system comprised of mining vessel, lifting pipe subsystem and collector is one of the biggest scale system in engineering history. Deep-sea mining system operates in complicated environments, including complex topographical and geological conditions, nonlinear wave, unsteady current and solid-liquid two-phase flow inside the pipe subsystem of the mining system, which endanger the mining system tremendously. Therefore, research on response mechanism of deep-sea mining system under complicated operating environments is the first priority. By combining theoretical analysis, numerical simulation and model experiments, this project starts with simulation of operating environments around the mining system and then carry out research on motion patterns of the mining vessel and collector; the last research content is coupling among inner flow field, outer flow field and structure of the lifting pipe system, which is constrained by motion of the mining vessel and collector. The project is to lay a solid foundation for security design and application of the deep-sea mining system in China.

采矿船、扬矿管道和集矿机组成的深海金属矿产资源开采系统是人类工程史上最大尺度系统之一。深海金属矿产资源开采系统所处工作环境包括海底地形地质条件、非线性波浪、非定常海流以及扬矿系统内部固液两相流动等十分复杂。复杂的工作环境对深海金属矿产资源开采系统作业安全威胁极大，因此亟须开展深海金属矿产资源开采系统对复杂工作环境的响应研究。本项目以理论分析、数值模拟、模型实验结合为手段，从深海采矿系统工作环境模拟入手，逐步开展采矿船和集矿机运动形式研究，最后开展采矿船和集矿机运动约束下的内外流场与管道结构耦合作用研究。本项目旨在为我国深海矿产资源开采系统的安全性设计与应用提供坚实的基础。

深海金属矿产资源开采系统是实现深海矿产资源开发的专用系统，它自身庞大而复杂同时又工作在复杂的深海环境中。深海金属矿产资源开采系统的结构设计和正常工作都依赖于它在复杂深海环境中的动力学响应特性。为深刻揭示深海金属矿产资源开采系统在复杂环境下的响应机理，项目采用理论分析、数值模拟、模型实验结合的方法，围绕“复杂流场环境”和“强运动约束下深海采矿系统动力学响应”两个主题开展研究。. 在复杂流体环境相关研究方面主要成果包括：（1）对深海采矿提升泵进行三维水力设计，建立粗颗粒矿石管道输送试验系，研究流道参数与输送颗粒浓度、粒径以及输送速度之间的匹配关系；研究颗粒在泵中的动态行为特性。（2）建立模拟海洋采矿工艺条件的大型试验系统，研究深海采矿软管空间形态与集矿车移动距离、内流流速和矿石浓度等影响因素的定量关系；研究粗颗粒垂直运动状态的控制条件和判定方法。（3）基于VOF模型采用P-M和JONSWAP波浪谱分别研究典型船舶和新型半潜式采矿平台与波浪的耦合作用，获得典型船舶和新型半潜式采矿平台的时域和频域响应特性。（4）基于流固耦合动力学方法研究强运动约束下扬矿软管在内外流共同作用下的动力学响应特性及其与几何的相关性。（5）提出四步半隐式特征线分裂流固耦合有限元方法研究管道的涡激效应，提出剪切来流下钝体绕流与涡激振动效应主动控制方法，设计了主动调节和能量收集设备；采用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟方法研究圆柱体结构群绕流与流致振动特性。. 在深海采矿系统动力学行为研究方面主要成果包括：（1）提出任意挠度非线性悬链线理论解决缆线空间构形与受力分析问题。（2）试验研究了深海底质土对不同金属材料的细观粘附特性；基于深海底质模拟土在不同加载速率下的三轴压缩实验，确定率相关流变本构模型；结合数值仿真研究仿生履齿的增力机理，获得仿生履齿的最佳齿形参数。（3）提出深海稀软土力学模型，研究集矿机在稀软土上的动力学行为。（4）基于多体动力学方法，研究全软管深海采矿系统在给定作业路径下作业的动力学行为；研究用光电复合缆连接的集矿系统500米海试的动力学行为、联动作业模式、作业路径规划与优化、作业范围边界标定、临界作业条件、安全性判据、稳定性判据等，该成果应用于大洋协会十三五“多金属结核集矿系统500米海上试验”项目，实践证明了计算和设计的合理性。