深海采矿扬矿软管流固耦合力学分析

摘要

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.