黎 宙

（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司 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）

在深海采礦系統(tǒng)中，水下輸送是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。目前，常用的水下輸送方式包括連續(xù)輸送和非連續(xù)輸送兩種類型［1］，其中連續(xù)輸送主要是指礦物通過管道直接從采礦車輸送至水面母船上，一般有水力、氣力提升等；非連續(xù)輸送則將礦物置于儲(chǔ)料倉中，通過有纜或者無纜形式輸送至水面［2］。連續(xù)輸送效率高，但布放和回收復(fù)雜，受海況條件影響較大，且?guī)浊组L的管道對(duì)水面母船提出了很高的要求。非連續(xù)輸送則對(duì)海況的適應(yīng)性高，布放和回收操作簡單，且可通過增加多個(gè)運(yùn)輸艙的形式提高運(yùn)輸效率。

本文以商業(yè)開采為背景，基于非連續(xù)輸送的思想，提出了一種無人無纜式的潛浮式提升艙，通過對(duì)輸送系統(tǒng)功能分析，提出了一種單運(yùn)輸主體＋多附體的結(jié)構(gòu)，并對(duì)提升艙水平和豎直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的流體力學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

潛浮式提升艙作為一種從深海水下作業(yè)平臺(tái)至水面母船的礦物運(yùn)輸工具，其主要性能如圖1所示。

圖1 潛浮式提升艙系統(tǒng)功能構(gòu)成簡圖

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)潛浮式提升艙的功能需求和相關(guān)分析，得到其總體輸運(yùn)方法如圖2所示。

圖2 潛浮式提升艙總體設(shè)計(jì)

潛浮式提升倉整體外形為流線型，盡量減小其在運(yùn)動(dòng)過程中所受的水阻力；前端具有流線形整流罩，具有調(diào)節(jié)浮力的功能；料倉為透水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別與進(jìn)料口和排料口相連，可避免受海底高壓環(huán)境影響；電池倉和控制倉通過連接構(gòu)件分別連接于主體側(cè)下方，均具有調(diào)節(jié)浮力的功能，同時(shí)為主體提供支撐，其上布有接地壓力傳感器，用于感知提升艙的接地和物料裝載狀態(tài)；主體上方布置有導(dǎo)航引導(dǎo)倉，為提升艙水下的運(yùn)動(dòng)和水下對(duì)接提供指引；提升艙尾部均布有4個(gè)螺旋推進(jìn)器，為物料向海面運(yùn)輸提供動(dòng)力，側(cè)面推進(jìn)器主要用于布放回收和水下進(jìn)料口對(duì)接時(shí)姿態(tài)的調(diào)整［3－4］。

1.3 作業(yè)模式

潛浮式提升艙的功能是由水下作業(yè)平臺(tái)至水面母船之間的物料運(yùn)輸，如圖3所示，其作業(yè)過程可分為如下4個(gè)階段：甲板布放，水下運(yùn)輸，物料裝載和甲板回收。其中水下運(yùn)輸包括提升艙在甲板布放后由海面到水下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程以及提升艙裝載物料完成后返回水面的過程。水下運(yùn)輸過程中，提升艙保持豎直向上的運(yùn)輸姿態(tài)，有利于減小其所受的水阻力。在海底和海面，基于布放、回收以及水下對(duì)接的要求，提升艙還需要有水平運(yùn)動(dòng)的要求。

圖3 潛浮式提升艙作業(yè)模式

2 水力學(xué)計(jì)算

相對(duì)于其他水下載人或者觀測型潛水器，潛浮式提升艙更側(cè)重于承載能力和運(yùn)動(dòng)速度的功能，而對(duì)于其水下作業(yè)和操作性能要求相對(duì)較低，故綜合考慮潛浮式提升艙在水中的力學(xué)行為關(guān)系到提升艙在水中的運(yùn)動(dòng)阻力、運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)控制的策略選擇和控制算法的實(shí)現(xiàn)，有助于實(shí)現(xiàn)提升艙的最大運(yùn)輸效率。

潛浮式提升艙在水下工作時(shí)面臨著惡劣的海底環(huán)境、復(fù)雜的海底地形地貌和激烈的深海海流，需要完成諸如水下平臺(tái)對(duì)接、原地回轉(zhuǎn)等靈活操縱運(yùn)動(dòng)，這都要求潛浮器具有良好的操縱性能和控制能力。從水動(dòng)力角度看其主要特點(diǎn)是：①深海海底條件復(fù)雜，海流和海底地形條件難以預(yù)測，出于安全性考慮，操縱運(yùn)動(dòng)和控制上需要更為準(zhǔn)確的水動(dòng)力支持；②不同于一般潛水器，潛浮式提升艙體積和質(zhì)量較大，為提高輸運(yùn)效率，需保持一個(gè)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的航速，且不能太低，故提升艙總阻力中的黏性阻力和慣性阻力均需進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 計(jì)算模型

在數(shù)值計(jì)算中，物體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，體積越大，所需網(wǎng)格數(shù)量就越多，且網(wǎng)格質(zhì)量難以保證；同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求也越大，所需計(jì)算時(shí)間也越久。因此，為了提高計(jì)算精度、提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量、加快數(shù)值計(jì)算的速度，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的提升艙進(jìn)行簡化建模，按照1∶1的比例于深海流場中進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)提升艙結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析后，將簡化模型定義為如下3個(gè)部分：主體、連接附件和附體部分（見圖4）。由于提升艙在水下進(jìn)行物料運(yùn)輸時(shí)，其作業(yè)姿態(tài)為豎直向上或向下，且在深海中，海流速度很小，基本可忽略，故對(duì)此種情況不同運(yùn)動(dòng)速度下的水阻力進(jìn)行數(shù)值分析［5］。

圖4 提升艙計(jì)算模型

2.2 計(jì)算域的劃分

由于提升艙為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算資源、提高計(jì)算速度和精度，采用1／2模型進(jìn)行計(jì)算，所建立的提升艙計(jì)算域如圖5所示，設(shè)定其長、寬、高分別為L、B和H，則計(jì)算模型到速度入口距離為2L，到壓力出口距離為4L，到上下壁面距離為2H，到側(cè)面壁面距離為2B，使流場能在此計(jì)算域內(nèi)充分發(fā)展，以保證計(jì)算準(zhǔn)確性。

圖5 提升艙計(jì)算域

2.3 網(wǎng)格劃分

由于連接附件外表相對(duì)較復(fù)雜，存在曲面等特征，故采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分方法。為獲得精確的計(jì)算結(jié)果，模型外表面采用邊界層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，層數(shù)為8；計(jì)算域內(nèi)采用自動(dòng)六面體網(wǎng)格生成方式，生成的網(wǎng)格如圖6所示，網(wǎng)格數(shù)量約為340萬，網(wǎng)格質(zhì)量最小為0.6，平均網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.9以上。整個(gè)計(jì)算域采取多重網(wǎng)格加密的形式，在網(wǎng)格基本尺寸0.1 m條件下，分別按基本尺寸的50%、150%和250%作為3個(gè)加密區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，使從模型表面到外邊界層的網(wǎng)格由密到疏，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格大小逐步過渡，在達(dá)到良好的計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源、加快計(jì)算速度。同時(shí)在后處理過程中，模型附近密集的網(wǎng)格點(diǎn)分布有利于更好地觀察其周邊流場變化情況。

圖6 網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件及計(jì)算模型選定

對(duì)計(jì)算域設(shè)置邊界條件如下：

速度入口：模型向前2.5B，設(shè)定速度大小值為提升艙運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)行速度V，通過設(shè)定湍流強(qiáng)度與特征長度識(shí)別；

壓力出口：模型尾部向后4B為壓力出口，P＝1.01×105Pa；

壁面條件：模型外表面，無滑移；外場為滑移壁面；

對(duì)稱面：垂直于對(duì)稱面的速度分量Vn＝0，平行于對(duì)稱面的速度分量的法向?qū)?shù)為零；

外場：距離模型表面高約2H，長為3L，速度為受擾動(dòng)的主流區(qū)速度。

物理模型選用分離求解器，選用realizablek?ε湍流模型和雷諾平均湍流模型［6］。選取海水密度為1 010 kg／m3，動(dòng)力黏度為1.3131×10－3Pa·s。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

提升艙在水中運(yùn)動(dòng)受海流速度、提升艙承載物料質(zhì)量和浮力等因素影響，其速度在不同運(yùn)動(dòng)階段不為一定值，故綜合考慮提升艙整體作業(yè)情況，參考現(xiàn)有海洋勘探調(diào)查水下裝備的運(yùn)動(dòng)速度，選擇其速度計(jì)算范圍為0.2～1.5 m／s。采用對(duì)稱面的計(jì)算方法，邊界入口速度分析分別設(shè)定為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5 m／s，研究提升艙在不同速度下的水阻力變化。

圖7 為提升艙運(yùn)動(dòng)速度1 m／s時(shí)對(duì)稱面和底面的壓力變化云圖。可見提升艙前端壓力呈梯度變化，壓力隨著與壁面距離減小而逐漸增大，最大可達(dá)555.9 Pa，物料接口處存在壓差分離現(xiàn)象，提升艙的前方、本體部分及后方分別處在3個(gè)不同的壓力環(huán)境下。

圖7 提升艙對(duì)稱面及底面壓力變化云圖

圖8 為提升艙運(yùn)動(dòng)區(qū)域湍流黏度變化情況?？梢娫谔嵘撐膊看嬖诤苊黠@的湍流黏度變化，物料進(jìn)口存在一定的湍流情況，電池倉和控制倉相對(duì)于主體湍流變化不明顯。

圖8 提升艙湍流黏度變化云圖

圖9 為流場域內(nèi)提升艙周圍的速度場分布。可見流體在經(jīng)過主體后，產(chǎn)生明顯的速度分離現(xiàn)象；料倉出口端存在明顯的低速區(qū)域。

圖9 提升艙周圍速度流線圖

圖10 為提升艙主體阻力分布情況。可見提升艙阻力隨速度增大而增大；在阻力組成中，以壓差阻力為主，因?yàn)樘嵘撝黧w所占迎水面較大，黏性阻力在主體阻力中只占很小的一部分。

圖10 提升艙主體阻力

圖11 為附體在不同速度下的阻力變化情況?？梢姼襟w阻力組成中，黏性阻力和壓差阻力所占比重基本一致。對(duì)附體的機(jī)體結(jié)構(gòu)分析可知，附體主要包括電池倉、控制倉和聲學(xué)倉，均為細(xì)長的圓和條狀，所占迎水面積不大，但與流體接觸面積較大，故會(huì)產(chǎn)生較大的黏性阻力，且隨著運(yùn)動(dòng)速度增加，兩者均逐漸增大。

圖11 提升艙附體阻力

連接附體的阻力主要指主體與附體之間連接部分結(jié)構(gòu)的水阻力，如圖12所示，連接附件的阻力以壓差阻力為主，由于采用橢圓形的外形設(shè)計(jì)，在速度1.5 m／s時(shí)，壓差阻力為192.78 N，黏性阻力為35.42 N。

圖12 提升艙連接附件阻力

提升艙的總阻力隨速度的變化曲線如圖13所示。分析可知，主體阻力是提升艙總阻力的主要來源，附體阻力所占比重最小，在速度1.5 m／s時(shí)，總阻力可達(dá)1 295.82 N。

圖13 提升艙總阻力變化

3 布放姿態(tài)仿真分析

提升艙在從海面往下運(yùn)動(dòng)和往上運(yùn)動(dòng)接近海面時(shí)都不可避免地會(huì)受到海面海流的影響，故分析提升艙在運(yùn)動(dòng)時(shí)如何調(diào)整提升艙姿態(tài)使其受海流的影響最小，對(duì)于提升艙的控制和節(jié)約能源具有重要意義。圖14為提升艙下放過程受海流影響示意圖，圖中所畫來流方向?yàn)椋玐方向，提升艙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋玓方向，海流方向假定為與提升艙運(yùn)動(dòng)方向垂直，即處于XY平面內(nèi)。

圖14 提升艙下放時(shí)受海流影響示意圖

采用完整的計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算，在海流速度設(shè)定為1 m／s的情況下，對(duì)以下幾種工況進(jìn)行分析：

工況1：來流方向?yàn)椋玐，提升艙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋玓；

工況2：來流方向?yàn)椋璛，提升艙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋玓；

工況3：來流方向?yàn)椋玒，提升艙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋玓；

工況4：來流方向與＋X，＋Y夾角為45°，提升艙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋玓；

工況5：來流方向與＋X，－Y夾角為45°，提升艙運(yùn)動(dòng)方向?yàn)椋玓。

3.1 計(jì)算條件設(shè)置

流體域依然采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為304萬，模型外表面采用邊界層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，層數(shù)為8；網(wǎng)格質(zhì)量最小為0.7，平均網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.9以上。整個(gè)計(jì)算域采取多重網(wǎng)格加密的形式，在網(wǎng)格基本尺寸0.5 m條件下，分別按基本尺寸的50%、20%和100%作為3個(gè)加密區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，使從模型表面到外邊界層的網(wǎng)格由密到疏，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格大小逐步過渡，在達(dá)到良好計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源，加快計(jì)算速度（見圖15）。同時(shí)在后處理過程中，模型附近密集的網(wǎng)格點(diǎn)分布有利于更好地觀察其周邊流場的變化情況。

圖15 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

由于海底海流速度一般比較平穩(wěn)，約為0～3 cm／s，且隨著水深增加，海流速度逐漸變小。所以分別模擬計(jì)算連接附件在0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.5 m／s下的運(yùn)動(dòng)情況，通過數(shù)值計(jì)算得出所受的水阻力大小，并對(duì)計(jì)算域內(nèi)流場及模型表面各部分的壓力分布情況進(jìn)行分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

分別對(duì)以上5種工況進(jìn)行流體計(jì)算分析，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的提升艙表面流線及壓強(qiáng)分布，結(jié)合所得的阻力數(shù)據(jù)可以看出，工況1和工況2條件下，提升艙主要阻力為X方向，工況1阻力相對(duì)較??；工況3、4和5條件下，X方向和Y方向均受到較大水阻力，不利于提升豎直方向運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的控制。因此，從提升艙便于控制和阻力最小的原則來看，工況1更有利于提升艙的水下運(yùn)動(dòng)。故建議在提升艙下放和回收過程中，調(diào)整提升艙的姿態(tài)以聲學(xué)倉的方向迎流，更有利于礦物的運(yùn)輸。

表1 不同布放姿態(tài)仿真分析

3.3 工況1條件下不同速度阻力分析

在工況1條件下對(duì)不同海流速度作用下的水阻力進(jìn)行分析。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，大洋表面的流速一般為1～2節(jié)，約為0～1 m／s［7］，故分別在邊界條件速度入口設(shè)置中設(shè)置X方向流速為0.2、0.4、0.6、0.8和1.2 m／s，Z方向速度保持為1 m／s，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如表2所示。分析表2數(shù)據(jù)可知，隨著海流速度增大，提升艙X方向受力顯著增大，呈正相關(guān)關(guān)系；Y方向由于提升艙結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，兩邊流場相似，故計(jì)算阻力較?。籞方向由于提升艙的運(yùn)動(dòng)速度為恒定值，受力較為穩(wěn)定，在600 N左右波動(dòng)。因此，在此種工況下，受海流影響時(shí)，應(yīng)著重考慮X方向的受力，以達(dá)到穩(wěn)定控制提升艙。

表2 不同海流速度下提升艙水阻力

4 結(jié) 論

1）針對(duì)深海采礦提升系統(tǒng)中難以應(yīng)對(duì)惡劣海況的問題，提出了一種非連續(xù)輸運(yùn)模式——潛浮式提升艙，根據(jù)其功能需求，綜合利用浮力調(diào)節(jié)、導(dǎo)航定位控制和水下接口技術(shù)等，對(duì)潛浮式提升艙進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2）通過流體力學(xué)仿真軟件對(duì)提升倉在水平運(yùn)動(dòng)和豎直運(yùn)動(dòng)的水力學(xué)進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明，提升艙水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨運(yùn)動(dòng)速度增加，水阻力以壓差阻力為主，黏附阻力相對(duì)較小。通過對(duì)提升艙不同迎流方向的計(jì)算表明，以聲學(xué)倉正面迎流時(shí)，所受的流體阻力相對(duì)較小，且主要表現(xiàn)在X方向。在此工況下分別對(duì)不同海流速度下的阻力情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，隨著運(yùn)動(dòng)速度增加，X方向阻力變化明顯增大，Y和Z方向受力情況變化較小。