李艷，賈廣成，劉少軍

?

考慮流固耦合的深海采礦長輸流硬管力學(xué)行為

李艷1, 2，賈廣成1，劉少軍1, 2

(1．中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙，410083；2．深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410012)

利用Workbench軟件建立深海采礦長輸流硬管的流固耦合有限元模型，研究管長、頂端張力等因素對其固有頻率的作用效果；分別在內(nèi)流和外流作用下對硬管進(jìn)行流固耦合動力學(xué)仿真，研究內(nèi)流流速、內(nèi)流密度、外流流速等對其力學(xué)特性的作用。研究結(jié)果表明：揚(yáng)礦硬管的固有頻率隨著硬管長度的增加而降低，隨著硬管所受的頂端張力的增加而增加；在內(nèi)流作用下，揚(yáng)礦硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著內(nèi)流速度增大而增大，隨著內(nèi)流密度的增大而增大；在外部海流作用下，揚(yáng)礦硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著外部海流速度增大而增大；為確保揚(yáng)礦子系統(tǒng)高效平穩(wěn)地工作，建議內(nèi)流流速在合適的區(qū)間(如2.5~3.5 m/s)內(nèi)變動，且整體深海采礦系統(tǒng)應(yīng)在外部海流速度小于0.8 m/s條件下作業(yè)。

深海采礦；揚(yáng)礦硬管；流固耦合；力學(xué)行為

揚(yáng)礦子系統(tǒng)是深海采礦系統(tǒng)中的重要組成部分，承擔(dān)著將海底集礦機(jī)采集到的結(jié)核礦石輸送到海面采礦船的任務(wù)，同時(shí)又是電纜、動力部件等的安裝載 體[1]。揚(yáng)礦硬管作為揚(yáng)礦子系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，長達(dá)數(shù)千米，其工作特性不僅受內(nèi)部輸送的流體礦漿的脈動、壓力變化等因素的影響，而且受外部海流、海浪等復(fù)雜載荷的作用，在內(nèi)部和外部流場同時(shí)與揚(yáng)礦硬管耦合的情況下，揚(yáng)礦硬管容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力、應(yīng)變，造成管道失效，影響整個(gè)深海采礦系統(tǒng)的開采效率，甚至造成破壞系統(tǒng)安全造成事故和損失，因此，有必要對揚(yáng)礦硬管的流固耦合力學(xué)特性進(jìn)行研究。HUANG等[2]運(yùn)用排除伽遼金網(wǎng)格的方法(eliminated element Galerkin)研究不同邊界條件下輸液管道固有頻率的變化，得到質(zhì)量、剛度、長度及內(nèi)部流體流速對輸液管道固有頻率的作用效果，但未考慮外部流體的影響。ACHOUYAB等[3]將管道因流固耦合作用產(chǎn)生的振動簡化為平面梁的縱向和橫向振動，使用有限元法和Newmark算法計(jì)算管道的位移，但忽略了流固耦合效應(yīng)。劉建浩等[4]利用Abaqus軟件對揚(yáng)礦硬管在作業(yè)與拖航狀態(tài)下的水平偏距與彎矩進(jìn)行研究，但未考慮揚(yáng)礦管內(nèi)流體對管道的影響。為此，本文作者以中國深海采礦1 km海試系統(tǒng)為工程背景，針對深海采礦中的長輸流硬管建立流固耦合有限元模型，考察管長、頂端張力等因素對其固有頻率的作用效果；分別在內(nèi)流和外流作用下對硬管進(jìn)行流固耦合動力學(xué)仿真，考察內(nèi)流因素、外流因素對其力學(xué)特性的作用，以便為深海采礦揚(yáng)礦硬管設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 揚(yáng)礦硬管受力分析

揚(yáng)礦硬管在作業(yè)過程中，會受到多種復(fù)雜載荷的耦合作用(如圖1所示)，這些作用力包括：揚(yáng)礦硬管自身重力Y，內(nèi)部流體重力L，海水浮力F，采礦船的拖曳力t，海洋波浪力B，海洋海流力H和頂端張力top[5?6]等。揚(yáng)礦硬管在深海采礦系統(tǒng)作業(yè)過程中受力示意圖如圖1所示。在進(jìn)行揚(yáng)礦硬管力學(xué)行為分析時(shí)，不考慮采礦船拖曳力對揚(yáng)礦硬管的影響。假設(shè)采礦船靜止不動，即t=0。硬管系統(tǒng)上端與采礦船的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)相連接，揚(yáng)礦硬管可以通過升沉補(bǔ)償系統(tǒng)盡可能地保持與海平面垂直，建模時(shí)可假設(shè)硬管垂直于海平面。

揚(yáng)礦硬管自身重力為

內(nèi)部流體重力為

(2)

海水浮力為

圖1 深海采礦系統(tǒng)中揚(yáng)礦硬管受力示意圖

Fig. 1 Schematic force of lifting pipeline in deep-ocean mining system

揚(yáng)礦硬管的直徑相比于海流的波長很小，滿足小直徑剛體的條件，采用Morison方程[6]計(jì)算其所受海流力。波浪對揚(yáng)礦硬管的作用力包括由波浪運(yùn)動速度u產(chǎn)生的拖曳力F以及由波浪運(yùn)動加速度產(chǎn)生的慣性力F。長度為d的揚(yáng)礦硬管所受拖曳力為

(5)

式中：為與長度為d揚(yáng)礦硬管等體積的海水質(zhì)量；；為距海面處的波浪運(yùn)動的加速度；m為慣性附加阻力系數(shù)。則長度為d的揚(yáng)礦硬管所受波浪作用力為

(6)

波浪運(yùn)動加速度為

(8)

聯(lián)合方程(6)~(8)，可求得距海面處揚(yáng)礦硬管單位長度所受的波浪作用力。

海流流經(jīng)水下設(shè)備時(shí)，在其周圍形成邊界層。在邊界層內(nèi)部，海流會加速流動，加重摩擦力的作用效果，對物體作用很大的橫向摩擦力。這個(gè)橫向摩擦力在流動方向上的投影即為摩擦拖曳力f。海流流過物體后，在其后面產(chǎn)生很大的尾流，進(jìn)而形成壓力差，其方向是從前到后也就是沿著海流流動的方向。這種壓力差作用在水下設(shè)備表面形成法向壓力在流動方向上的投影即為壓差拖曳力p[9]。

f和p與邊界層內(nèi)流體的流態(tài)、邊界層分離點(diǎn)位置、水下設(shè)備外形及表面粗糙度等因素有關(guān)。長度為d的水下設(shè)備所受的海流力為

(9)

其中：d1和d2分別為摩擦拖曳力系數(shù)和壓差拖曳力系數(shù)。令，則

依照艾利波理論[10]以及中國深海采礦1 km海試系統(tǒng)工作區(qū)域海況，距海面深度為處的海流速度為

(11)

(12)

(13)

假設(shè)波浪與海流的運(yùn)動方向一致，則距海面深度為處長度為d的柱體所受到的波流力為

(14)

聯(lián)合方程(7)，(8)，(11)和(14)，便可以得出距海面處長度為d的揚(yáng)礦硬管所受的波流作用力。

1.2 揚(yáng)礦硬管的流固耦合數(shù)學(xué)模型

在整個(gè)深海采礦系統(tǒng)工作過程中，揚(yáng)礦子系統(tǒng)內(nèi)輸運(yùn)的流體為固液兩相流。在分析內(nèi)、外流與揚(yáng)礦硬管的流固耦合作業(yè)時(shí)，為了更真實(shí)地反映實(shí)際工況，假定流體為不可壓縮且具有黏性的賓漢流體[11?12]。流固耦合系統(tǒng)由流體區(qū)域和固體區(qū)域共同組成，采用位移?壓力的關(guān)系描述內(nèi)、外流體與揚(yáng)礦硬管的流固耦合效應(yīng)即固體采用位移作為傳遞變量，流體采用壓力作為傳遞變量。在流固耦合分析中，為了傳遞位移變量，流體耦合面上的節(jié)點(diǎn)必須映射到固體耦合面的單元上；為了傳遞壓力變量，固體耦合面上的節(jié)點(diǎn)必須映射到流體耦合面的單元上[13]。

揚(yáng)礦硬管為線彈性材料，采用不可壓縮賓漢型流體的Navier-Stokes方程作為流體運(yùn)動的控制方程：

(16)

(17)

固體控制方程可以由牛頓第二定律導(dǎo)出：

在流體與固體的耦合面上，流、固體單元具有相同位移和速度的邊界條件：

(20)

2 仿真與分析

2.1 揚(yáng)礦硬管固有頻率分析

2.1.1 揚(yáng)礦硬管固有頻率分析有限元模型

利用Workbench中的Geometry模塊建立揚(yáng)礦硬管和內(nèi)部流體的有限元模型，然后通過Model模塊對材料進(jìn)行定義，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行模態(tài)分析。揚(yáng)礦硬管長度為900 m，硬管內(nèi)徑和外徑分別為219.08 mm和193.68 mm，硬管的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，內(nèi)流密度為1 123 kg/m3。揚(yáng)礦硬管和內(nèi)部流體分別采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體的固體和流體單元。

揚(yáng)礦硬管在深海采礦系統(tǒng)正常工作時(shí)，受到的浮力和自身重力均以分布載荷方式加載在揚(yáng)礦硬管的單元上。揚(yáng)礦硬管頂端與采礦船采用球型鉸接連接，揚(yáng)礦硬管底端與中間倉采用十字形鉸接連接。在進(jìn)行有限元分析過程中，假設(shè)揚(yáng)礦硬管的頂端固定不動、底端自由，因此，在硬管頂端加載固定約束[14]。在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，通過改變硬管的長度和頂端張力分析揚(yáng)礦硬管固有頻率變化規(guī)律。

2.1.2 揚(yáng)礦硬管固有頻率分析及結(jié)果

在對揚(yáng)礦硬管進(jìn)行模態(tài)分析過程中，分別設(shè)定硬管長度為600，700，800，900，1 000，1 100和1 200 m，對揚(yáng)礦硬管的固有頻率進(jìn)行分析。圖2所示為硬管前4階固有頻率隨硬管管長增加的變化規(guī)律。從圖2可知：揚(yáng)礦硬管的一階固有頻率受揚(yáng)礦硬管的管長變化的影響不大，而2，3和4階固有頻率隨管長的增加而顯著降低，且降低的幅度逐漸減小。應(yīng)該綜合考慮深海采礦作業(yè)深度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性等因素，選取合適的揚(yáng)礦硬管長度。

在對揚(yáng)礦硬管進(jìn)行模態(tài)分析過程中，分別設(shè)定揚(yáng)礦硬管所受的頂端張力為?500，?200，?100，0，100，200和500 kN(負(fù)號表示受到的力是軸向壓力)對揚(yáng)礦硬管的固有頻率進(jìn)行分析。揚(yáng)礦硬管所受的頂端張力對其固有頻率的影響如圖3所示。從圖3可知：揚(yáng)礦硬管的1和2階固有頻率受揚(yáng)礦硬管所受的頂端張力變化的影響不大，而3和4階固有頻率隨著頂端張力的增加而增加。通過調(diào)節(jié)揚(yáng)礦硬管頂端張力的大小和方向可以在一定范圍內(nèi)改變揚(yáng)礦子系統(tǒng)的固有頻率，以免與海浪的頻率接近發(fā)生共振。

1—1階頻率；2—2階頻率；3—3階頻率；4—4階頻率。

1—1階頻率；2—2階頻率；3—3階頻率；4—4階頻率。

2.2 考慮內(nèi)流的揚(yáng)礦硬管流固耦合分析

2.2.1 揚(yáng)礦硬管與內(nèi)流的流固耦合有限元模型

揚(yáng)礦硬管與內(nèi)流的流固耦合作用屬于雙向流固耦合問題，內(nèi)部流體的運(yùn)動傳遞給硬管，而硬管的振動反向作用于內(nèi)部流體。本文通過Workbench軟件設(shè)置ANSYS和CFX的雙向流固耦合進(jìn)行分析。在Transient Structural模塊中建立揚(yáng)礦硬管和內(nèi)部流體的三維實(shí)體模型，定義硬管的材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。揚(yáng)礦硬管受到的浮力和自身重力以硬管凈重加載到硬管單元上，并在揚(yáng)礦硬管的頂端施加固定約束。在CFX模塊中定義內(nèi)部流體屬性參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置流固耦合過程參數(shù)變量。選取硬管內(nèi)壁和內(nèi)流外表面為流固耦合交界面，建立如圖4所示考慮內(nèi)流的長輸流硬管三維流固耦合模型。

圖4 考慮內(nèi)流的長輸流硬管三維流固耦合模型

在進(jìn)行揚(yáng)礦硬管與內(nèi)流的流固耦合仿真過程中，先啟動流體域計(jì)算并將得到的分析結(jié)果以力為變量傳遞給固體結(jié)構(gòu)，再將固體分析得到的結(jié)果以位移為變量反向傳遞給流體，并且分析結(jié)果只在流固耦合交界面上進(jìn)行傳遞[15]。在進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算時(shí)，通過改變內(nèi)流流速、內(nèi)流密度分析內(nèi)流作用下?lián)P礦硬管的流固耦合力學(xué)行為。

2.2.2 內(nèi)流作用下?lián)P礦硬管流固耦合力學(xué)分析

在對揚(yáng)礦硬管與內(nèi)流進(jìn)行流固耦合分析時(shí)，在Transient Structural模塊中設(shè)定揚(yáng)礦硬管長度為 900 m，內(nèi)、外徑分別為219.08 mm和193.68 mm，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.850 t/m3。在CFX模塊中分別設(shè)定內(nèi)部流體的流速為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5和5.0 m/s，對內(nèi)流作用下?lián)P礦硬管流固耦合力學(xué)特性進(jìn)行研究，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可知：硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著內(nèi)流速度增大而增大，且當(dāng)內(nèi)流速度大于3.5 m/s時(shí)，硬管的最大側(cè)向位移與最大主應(yīng)力的增幅變大。這是因?yàn)閮?nèi)部流體在提升過程中流速非均勻分布于硬管橫截面形成兩側(cè)流體速度差[16]，內(nèi)流速度越大，產(chǎn)生的速度差和側(cè)向位移越大。內(nèi)流的沖量作用于硬管產(chǎn)生的動載荷隨著內(nèi)流速度增大而增大，最大主應(yīng)力也隨著增大。過小的內(nèi)流速度會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低甚至發(fā)生硬管堵塞等安全事故，而過大的內(nèi)流速度會引起硬管的側(cè)向位移過大而失穩(wěn)。要使揚(yáng)礦子系統(tǒng)高效平穩(wěn)地工作，建議內(nèi)部流體流速在合適的區(qū)間(如2.5~3.5 m/s)內(nèi)變動。

圖5 硬管最大側(cè)向位移與內(nèi)部流體流速的關(guān)系

圖6 硬管最大主應(yīng)力與內(nèi)部流體流速的關(guān)系

研究內(nèi)部流體密度對內(nèi)流作用下?lián)P礦硬管流固耦合力學(xué)行為的作用效果，在Transient Structural模塊中設(shè)定揚(yáng)礦硬管長度為900 m，內(nèi)徑和外徑分別為219.08 mm和193.68 mm，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.850 t/m3。在CFX模塊中分別設(shè)定內(nèi)部流體密度為0.800，1.000，1.123，1.200，1.500和2.000 t/m3，硬管最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力與內(nèi)流密度的關(guān)系如圖7和圖8所示，可見：硬管最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著內(nèi)流密度的增大而增大。通過增加集礦機(jī)破碎深海礦物結(jié)核和脫泥的時(shí)間，減小內(nèi)部流體濃度和泥沙含量，使內(nèi)流密度減小進(jìn)而減小硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力，可提高揚(yáng)礦子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖7 硬管最大側(cè)向位移與內(nèi)部流體密度的關(guān)系

圖8 硬管最大主應(yīng)力與內(nèi)部流體密度的關(guān)系

2.3 考慮外流的揚(yáng)礦硬管流固耦合分析

2.3.1 揚(yáng)礦硬管與外部海流的流固耦合有限元模型

由于揚(yáng)礦硬管的變形對外部流場的影響基本可以忽略不計(jì)，只需考慮外部流場對揚(yáng)礦硬管的作用，因此，外流作用下的流固耦合屬于單向流固耦合問題。本文通過Workbench軟件設(shè)置與FLUENT的單向流固耦合分析，在Static Structural模塊中定義硬管材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。受到的浮力和自身重力以硬管凈重加載到硬管單元上，并在揚(yáng)礦硬管的頂端加載固定約束。在FLUENT模塊中建立揚(yáng)礦硬管和外部海流的三維實(shí)體模型，定義外部海流屬性參數(shù)，劃分網(wǎng)格，并設(shè)置流固耦合過程參數(shù)。選取硬管外壁為流固耦合交界面，建立如圖9所示考慮外流的長輸流硬管三維流固耦合模型。

圖9 考慮外流的長輸流硬管三維流固耦合模型

在進(jìn)行揚(yáng)礦硬管與外部海流的流固耦合仿真過程中，在流固耦合交界面處的數(shù)據(jù)傳遞是單向的。外部海流的流體域計(jì)算得到的分析結(jié)果以力為變量傳遞給揚(yáng)礦硬管進(jìn)行固體結(jié)構(gòu)分析，而固體分析結(jié)果不會再反向傳遞給流體。在進(jìn)行流固耦合仿真計(jì)算時(shí)，通過改變外部海流流速分析外部海流作用下?lián)P礦硬管的流固耦合力學(xué)特性。

2.3.2 外部海流作用下?lián)P礦硬管流固耦合力學(xué)分析

在對揚(yáng)礦硬管與外部海流進(jìn)行流固耦合分析過程中，在Static Structural模塊中設(shè)定揚(yáng)礦硬管長度為900 m，內(nèi)徑和外徑分別為219.08 mm和193.68 mm，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.850 t/m3。在FLUENT模塊中分別設(shè)定外部海流的流速為0.15，0.30，0.45，0.60，0.75，0.87和1.00 m/s，對外部海流作用下?lián)P礦硬管流固耦合力學(xué)特性進(jìn)行研究(如圖10和圖11所示)，可見：硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著外部海流速度增大而增大，且當(dāng)外部海流速度大于0.80 m/s時(shí)，硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力的增幅變大。這是因?yàn)殡S著外部海流速度增大，揚(yáng)礦硬管前后兩側(cè)流體域產(chǎn)生的壓差增大，硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力也隨著增大。過大的側(cè)向位移易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，為了確保揚(yáng)礦子系統(tǒng)高效穩(wěn)定地工作，整個(gè)深海采礦系統(tǒng)應(yīng)在外部海流速度小于0.80 m/s下作業(yè)。

圖10 硬管最大側(cè)向位移與外部海流速度的關(guān)系

圖11 硬管最大主應(yīng)力與外部海流速度的關(guān)系

4 結(jié)論

1) 揚(yáng)礦硬管的固有頻率隨著硬管管長的增加而降低，隨著硬管所受的頂端張力的增加而增加。應(yīng)綜合考慮深海采礦作業(yè)深度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性等因素，選取合適的揚(yáng)礦硬管長度?？梢酝ㄟ^改變揚(yáng)礦硬管頂端張力的大小、方向，在一定范圍內(nèi)改變揚(yáng)礦子系統(tǒng)的固有頻率，避免硬管與海流的激振頻率接近產(chǎn)生共振。

2) 硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著內(nèi)流速度增大而增大，隨著內(nèi)流密度的增大而增大。要使揚(yáng)礦子系統(tǒng)高效平穩(wěn)地工作，建議內(nèi)部流體流速在合適的區(qū)間(如2.5~3.5 m/s)內(nèi)變動。通過采取一些措施減小內(nèi)部流體質(zhì)量?體積濃度和泥沙體積含量，使內(nèi)流密度減小進(jìn)而減小硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力，可改善揚(yáng)礦子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3) 硬管的最大側(cè)向位移和最大主應(yīng)力隨著外部海流速度增大而增大。過大的側(cè)向位移易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，為保證揚(yáng)礦硬管在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，整個(gè)深海采礦系統(tǒng)應(yīng)在外部海流速度小于0.80 m/s時(shí)作業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] “十五”采礦海試系統(tǒng)總師組. 大洋多金屬結(jié)核中試采礦系統(tǒng)l 000 m海上試驗(yàn)總體系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)[R]. 北京: 中國大洋協(xié)會, 2004: 25?26. Chief Engineer Group of “Fifteen” Mining Sea Trial System. The overall system technology design of oceanic polymetallic nodule mining system l 000 m marine pilot test[R]. Beijing: China Ocean Mineral Resources R&D Association, 2004: 25?26.

[2] HUANG Yimin, LIU Yongshou. Natural frequency analysis of fluid conveying pipeline with different boundary conditions[J]. Nuclear Engineering and Design, 2010, 240(3): 461?467.

[3] ACHOUYAB E H, BAHRAR B. Numerical modeling of phenomena of water hammer using a model of fluid-structure interaction[J]. Comptes Rendus Mecanique, 2011, 339(4): 262?269.

[4] 劉建浩, 楊啟. 深海采礦揚(yáng)礦管的橫向運(yùn)動響應(yīng)分析[J]. 礦山機(jī)械, 2012, 40(2): 5?9. LIU Jianhao, YANG Qi. Analysis on lateral motion response of deep-sea mining riser[J]. Mining Machinery, 2012, 40(2): 5?9.

[5] 劉金書, 禹宏云, 馬慧坤. 6 000 m深海揚(yáng)礦系統(tǒng)仿真分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2009, 26(7): 333?336. LIU Jinshu, YU Hongyun, MA Huikun. Simulation analysis lifting system in a 6 km deep-ocean[J]. Computer Simulation, 2009, 26(7): 333?336.

[6] 周知進(jìn), 盧浩, 王釗, 等. 垂直提升管道輸送過程中的流固耦合效應(yīng)分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 43(1): 87?92. ZHOU Zhijin, LU Hao, WANG Zhao, et al. Characteristics analysis on considering fluid-solid coupling effects for vertical lifting pipe[J]. Periodical of Ocean University of China, 2013, 43(1): 87?92.

[7] SANTILLAN S T, VIRGIN L N. Numerical and experimental analysis of the static behavior of highly deformed risers[J]. Ocean Engineering, 2011, 38(3): 1397?1402.

[8] NI Q, ZHANG Z L, WANG L. Application of the differential transformation method to vibration analysis of pipes conveying fluid[J]. Applied Mathematics and Computation, 2011, 217(16): 7028?7038.

[9] ZHOU Zhijin, YANG Ning, WANG Zhao. Analysis on shock wave speed of water hammer of lifting pipes for deep-sea mining[J]. China Ocean Eng, 2013, 27(2): 205?214.

[10] EROL H. Vibration analysis of stepped-pipe strings for mining from deep-sea floors[J]. Ocean Engineering, 2005, 32(1): 37?55.

[11] KERAMAT A, TIJSSELING A S, HOU Q. Fluid–structure interaction with pipe-wall viscoelasticity during water hammer[J]. Journal of Fluids and Structures, 2012, 28: 434?455.

[12] LIU Gongmin, LI Yanhua. Vibration analysis of liquid-filled pipelines with elastic constraints[J]. Journal of Sound and Vibration, 2011, 330(13): 3166?3181.

[13] 胡躍華, 蔣誠航, 閆懷磊, 等. 流固耦合作用下固支輸液管道有限元分析[J]. 化工機(jī)械, 2012, 39(2): 190?193. HU Yuehua, JIANG Chenghang, YAN Huilei, et al. Vibration FEA of clamped fluid-conveying pipeline with fluid-structure interaction effect[J]. Chemical Machinery, 2012, 39(2): 190?193.

[14] AHMADI A, KERAMAT A. Investigation of fluid-structure interaction with various types of junction coupling[J]. Journal of Fluids and Structures, 2010, 26(7/8): 1123?1141.

[15] 梁建術(shù), 王濤, 李欣業(yè). 基于ANSYS Workbench的輸液管道系統(tǒng)振動控制仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2012(3): 187?189. LIANG Jianshu, WANG Tao, LI Xinye. Vibration control analysis of liquid-conveying pipe system based on ANSYS Workbench[J]. Mechanical Design and Manufacture, 2012(3): 187?189.

[16] LEE U, PARK J. Spectral element modeling and analysis of a pipeline conveying internal unsteady fluid[J]. Journal of Fluid and Structures, 2006, 22(2): 273?292.

(編輯 陳燦華)

Mechanical characteristics on long lifting pipeline in deep-ocean mining considering fluid-structure interaction

LI Yan1, 2, JIA Guangcheng1, LIU Shaojun1, 2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. State Key Laboratory of Exploitation and Utilization of Deep Sea Mineral Resources, Changsha 410012, China)

The influence of pipe length and top tension on the natural frequency of lifting pipeline was investigated based on the finite element model of fluid-structure interaction with Workbench software. In order to examine the influence of internal fluid velocity, internal fluid density and outflow velocity on the mechanical characteristics of lifting pipeline, dynamic simulations of fluid-structure interaction of lifting pipeline under the action of internal fluid and outflow were carried out. The results show that the natural frequency of lifting pipeline increases with the increase of top tension and the decrease of pipe length. With the impact of internal fluid, the maximum lateral displacement and the maximum principal stress of lifting pipeline increase with the increase of the velocity and density of the internal fluid. Under the influence of outflow, the maximum lateral displacement and the maximum principal stress of lifting pipeline increase with the increase of the velocity of the outflow. In order to ensure the safety and improve the efficiency of the lifting system, the velocity of the internal fluid must be controlled in suitable range (e.g. 2.5?3.5 m/s). The deep-ocean mining system should work with the velocity of outflow less than 0.8 m/s.

deep-ocean mining; lifting pipeline; fluid-structure interaction; mechanical characteristics

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.008

TD807

A

1672?7207(2016)11?3670?07

2015?12?01；

2016?02?04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104177)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA091201) (Project(51104177) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012AA091201) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

李艷，博士，副教授，從事機(jī)電液系統(tǒng)控制理論與技術(shù)、深海作業(yè)裝備設(shè)計(jì)與控制研究；E-mail: lylsjhome@163.com