深海无人系统大长径比环肋圆柱壳结构设计与试验研究

环肋圆柱壳是深海无人系统广泛采用的一种耐压结构形式,保障其结构安全是系统研制过程中非常重要的一环。针对环肋圆柱壳的结构特征推导了组合结构重量关系式和结构参数简化估算方法,并以一种超长型深海无人系统耐压结构为例,围绕大长径比环肋圆柱壳的结构形式、设计计算、仿真分析、模型验证等开展研究。研究表明提出的大长径比环肋圆柱壳结构设计参数简化估算方法具有较好的适应性。相关计算和分析结果可以为该型深海无人系统结构设计提供技术支撑,也可以为其他类似耐压结构设计提供参考。

不均匀波浪荷载作用下海积软黏土的动力特性

为研究饱和海积黏土在均匀与不均匀波浪荷载作用下的循环特性,利用GDS空心圆柱扭剪仪进行了一系列不排水试验,在相同的初始固结状态下,对试样施加不同最大偏应力q_(max)、最小偏应力q_(min)的圆形及螺旋形应力路径的轴—扭联合循环载荷。分析了在考虑主应力轴旋转时,这两种不同应力路径的循环应力比R_(CS)与动应力比δ=q_(mim)/q_(max)对循环加载期间土体动力特性的影响。试验结果表明:R_(CS)与δ的增大均能提升黏土在波浪荷载下的孔压、轴向应变、双幅剪切应变及其速率,同时也能使土体轴向回弹模量与动剪切模量的衰减更严重,且δ的作用效果会随R_(CS)的增大而增大。当R_(CS)≤0.05时,土体在循环期间保持为“弹性安定或塑性安定”状态;而当R_(CS)≥0.06时,土体会处于“疲劳破坏”或“塑性蠕变”状态,其具体形式由R_(CS)与δ共同决定。土体在循环过程中的轴向回弹模量与动剪切模量近似呈一定比例。

粗颗粒-壁面碰撞试验分析及随机反弹模型构建

为了揭示深海采矿水力输送过程中不规则粗颗粒与壁面碰撞的特征,建立了相应的随机反弹概率模型,为粗颗粒与壁面相互作用的数值分析提供了基础模型。采用粗颗粒自由落体试验和图像识别技术,对不同入射速度和入射角度下粗颗粒的随机反弹过程进行了试验研究。通过自定义MATLAB程序实现了粒子运动参数的自动提取与分析。基于概率统计分析和非线性回归方法,建立了不同入射速度和入射角度下粗颗粒随机反弹的解析预测模型。最后进行数值模拟,获得特定撞击条件下颗粒的随机反弹信息,并将文中模型预测与现有研究中模型给出的预测进行了比较。研究表明:正态分布和广义极值分布均可较好地描述粗颗粒随机反弹运动特征;粗颗粒在低入射角碰撞下除反弹模式外还有滑移-偏转的模式,随入射角的增加,随机反弹角的均值先略有下降,然后逐渐增加,而反弹角的离散度随入射角增加呈指数增加;对于速度恢复系数,随着入射角的增加,能量耗散增加,速度恢复系数减小,恢复系数的离散度略有增加;随着入射角的增加,角速度变化的均值遵循半正弦波函数,当入射角为45°时旋转最显著,旋转角速度的标准差先增大后减小。此外,数值重构时,应使用截断值以避免不合理的样本数据。

深海浮球内部气压对水下内爆波的抑制机理

深海潜器常携带中空浮球来为其提供浮力。陶瓷因其高强度、低密度等优点成为浮球的理想材料。然而,中空结构在外部高压环境下易发生内爆,产生的内爆波会对周围结构产生毁灭性损害。为了探索浮球内部初始气压对内爆波的影响,首先,利用气泡动力学对其不考虑球壳影响时进行理论分析,得到内爆波压力脉冲沿径向以指数-1衰减,并指出其物理意义和隐含假设,进而从能量分析得到增加内压使压缩空气消耗的能量增加,从而减弱释放到水中的压力波能量;其次,采用三相流固耦合有限元模型进行计算,考虑水的可压缩性和球壳因挤压引起的脆性破裂的影响,得到更为接近实际的内爆压力的分布。由于两侧挤压球壳,外部的水在不断扩大的缺口处产生向内的射流,造成内部气体非球形塌缩,后续压力波呈现出与球壳碎裂方式有关的方向性差异。通过有限元模型对内部初始气压的研究表明,增加初始内部气体压力到1 MPa时,压力脉冲在球壳表面处下降了15.6%~24.8%。这一结果表明,在几乎不增加浮球质量的条件下,增加内部初始气压具有很好地抑制近端内爆波强度的效果。

深海采矿转场工况平台——水下系统耦合动力响应特性研究

针对水深6.0 km深海采矿装备,研究其转场工况平台—水下系统耦合动力响应特性。建立深海采矿平台—输浆管—中继站一体化耦合动力模型,其中采用有限元方法离散输浆管,采用势流理论计算平台水动力,基于Kalman滤波对动力定位系统进行参数整定,优化动力定位系统推力。考虑动力定位系统,计算水动力和采矿平台—输浆管—中继站的频域响应和平台—水下系统耦合时域运动响应,计算得到了平台时域运动响应、水下系统动力响应及动力定位系统推力响应。结果表明:建立的一体化耦合动力分析模型是可行的,可以有效预报平台及水下系统响应;转场0°浪向动力定位系统可以有效控制平台运动;中继站运动较小,输浆管轴力较大,建议将输浆管的浮力材料移动到流速较小的水下范围,可降低拖曳力,有利于输浆管的强度性能。

能源转型中的天然气角色与能源安全——评《中国天然气全产业链市场安全问题研究》

随着“双碳”目标的提出以及能源绿色低碳转型的实践,天然气市场在迈向低碳能源或者零碳能源经济体中的地位被重新审视.党的二十大报告明确指出,深入推进能源革命,加强煤炭清洁高效利用,加大油气资源勘探开发和增储上产力度,加快规划建设新型能源体系,统筹水电开发和生态保护,积极安全有序发展核电,加强能源产供储销体系建设,确保能源安全.2024年8月国家发改委新修订并实施的《天然气利用管理办法》明确了“天然气利用坚持产供储销体系协同,供需均衡、有序发展;坚持因地制宜、分类施策,保民生、保重点、保发展;坚持绿色低碳,促进天然气在新型能源体系建设中发挥积极作用”,天然气在未来能源体系中的地位逐渐清晰,其“清洁低碳”特性决定“以气代高碳能源”,其“灵活易储”特性决定“与新能源相融合”.

系统思维在载人潜水器设计中的应用

系统思维以及系统方法论在复杂巨系统的设计上有着极大优势。载人潜水器作为一种大型装备,其设计过程中大量采用了系统方法论。本文对载人潜水器的组成、功能等进行介绍,对系统思维和系统方法论应用于载人潜水器设计的必要性进行分析,对常见的系统方法论进行介绍。并结合具体示例,从载人潜水器总体、载人潜水器分系统之间、载人潜水器分系统自身等层面,对载人潜水器设计过程中所采用的系统方法进行介绍。最后,以生命支持分系统为例,从该系统的运行时长及故障数量角度出发,验证系统思维和系统方法论在该系统的设计过程中发挥的作用。

悬挂撤离状态井下管柱纵横向耦合动力学特性分析

建立悬挂撤离状态井下管柱纵、横向耦合动力学数值分析模型,同时考虑平台横向撤离以及纵向升沉运动,给出软、硬悬挂边界条件。采用有限单元法进行离散,结合Newmark-β法求解动力学方程,并通过实验验证数值模型的正确性。针对南中国海深水井,分析了悬挂状态的井下管柱纵、横向耦合动力学特性,研究结果表明:纵、横向耦合条件下,井下管柱悬挂撤离时在横向呈现出波浪状位移形态,纵向呈现周期性振动;硬悬挂与软悬挂状态下最大横向位移和纵向位移都出现在管柱最底端;硬悬挂状态下管柱顶端位移较小、弯矩出现极大值;软悬挂状态下管柱顶端位移急剧增加,弯矩在水面附近出现极大值;悬挂撤离状态下管柱纵向位移包络线范围从顶部向底端逐渐增大,而轴向张力包络线范围从底部向顶部逐渐增大;另外,硬悬挂状态下管柱在顶端附近出现轴向压缩,存在发生屈曲失效的风险。

新型旋转减冲装置对桩基局部冲刷防护试验研究

为减轻海上风电单桩基础周围局部冲刷对其结构安全的影响,本文提出了一种新型旋转减冲装置。在波流水槽中开展物理模型试验,改变波流条件、装置安装高度、安装距离,记录桩周冲刷发展历时,运用激光地形仪扫描冲刷坑形态,分析各工况下冲刷坑形态差异,验证装置不同安装距离、安装高度下的冲刷防护效果,提出了不同安装位置下的防护效率公式。结果表明:新型旋转减冲装置具有较好的冲刷防护效果,本试验工况下,桩周最大冲刷深度可减小44%左右。装置安装距离对冲刷防护效果影响较小,波流作用下的冲刷防护效果受装置安装高度影响显著,冲刷防护效果随装置安装高度的增加而减弱。

黏性液体中固体颗粒与壁面碰撞的实验研究

针对深海采矿、固体矿浆输送等工程实践中出现的固体颗粒与管壁碰撞现象,在水箱中开展颗粒-壁面碰撞物理模型实验研究,分析颗粒直径、密度、表面粗糙度、碰撞角度以及液体黏度等参数对颗粒碰撞回弹速度、轨迹的影响,探究碰撞能量耗散规律。实验结果表明,随着斯托克斯数逐渐增大,碰撞恢复系数相应增加到最大值;颗粒表面粗糙度和表面性质不同,对能量损耗的影响也不同,玻璃颗粒相较于铁质颗粒能量损耗更小,而碰撞恢复系数更大;当颗粒与壁面发生倾斜碰撞时,碰撞处切向摩擦力使得颗粒的部分能量转化为颗粒自转的旋转动能,因此碰撞恢复系数小于垂直碰撞恢复系数。

淹没式移动射流对黏性底床开沟试验研究

以试验方法研究双喷式射流结构对软质黏性底床上可沉降管道移动射流开挖规律。通过黄土、高岭土、水泥配置低剪切强度试验黏土,揭示喷嘴射流速度、喷嘴平移速度对冲坑特征尺寸影响规律。以边界层剪应力分析冲坑形态变化,并引入低射流靶距下反映侵蚀能力强度的回归侵蚀特征值Z进行无量纲化分析。结果表明:双喷式垂直射流形成的冲坑断面轮廓具有中心对称性,移动射流形成的冲坑纵向剖面线具有几何相似性。冲坑特征尺寸随射流速度呈近似线性变化,随喷嘴平移速度增加呈减小趋势。剪切强度增加使得黏土抗侵蚀能力增强,冲坑稳定断面曲线由V形向U形逐渐过渡变化。

波流联合作用下海底管道侧向运动数值分析

研究旨在提出波流联合作用下海底管道侧向运动数值模拟分析方法。通过建立三维离散刚体模拟海床,梁单元模拟海底管道,设置了两个载荷步模拟管道与土壤接触的过程,解决了实体模型不易收敛的问题。分析了不同管—土法向行为接触刚度、不同管—土切向行为摩擦系数、不同波流参数以及不同单位长度管道水下质量对海底管道侧向运动的影响。研究表明:海底管道的最大等效应力、最大侧向位移、最大接触压力以及最大横向摩擦剪应力对于管—土法向行为接触刚度的变化并不敏感;管道的最大侧向位移随着管—土切向行为摩擦系数增大而减小,呈现出线性变化的关系;当波高一定时,管道的最大侧向位移随着流速的增加而增大,并且波高越小,最大侧向位移随流速增加的速度明显越大;管道最大侧向位移随着单位长度管道水下质量的增加而减小,并且呈现出线性变化的关系。

深海采矿多功能转运站关键结构强度分析与优化

多功能转运站属于一体化布放式深海采矿系统中的关键作业设备,其结构的合理性对整个深海采矿作业系统的正常运转尤为重要,在加工制造前有必要对其结构进行计算分析和优化,以提高系统安全性。该文以某一体化布放式深海多金属结核采矿系统中的多功能转运站为研究对象,通过有限元软件对多功能转运站主框架结构进行强度计算分析,再利用Optistruct软件对其进行拓扑优化,依据拓扑优化结果来优化改进相应结构,并对优化后的结构进行有限元强度计算复核。结果表明:优化后的多功能转运站主框架结构整体质量下降30%,最大等效应力降低25.6%,在工作载荷下满足强度要求。该文研究结果可为转运站样机方案改进和加工制造提供一定的参考。

海上浮式风电系统的批钻链式锚群设计方案和施工技术

随着风电安装技术、海洋钻井成孔技术和工艺的进步,海上风电系统逐渐向远海、深海领域延伸,当水深超过50 m,甚至100 m后,考虑到安全性和经济性,海上风电基础由桩基式逐步转向漂浮式。现有大孔径嵌岩成孔、锤桩的桩基式底座已不能实现浮式风电系统锚定,基于此,利用海洋批钻钻井成孔、固井技术与工艺,采用批钻链式锚群,实现海上浮式风电系统的链式锚定。

陆地风电空心锥形基础水平循环承载特性研究

通过开展砂土中等幅值和变幅值循环加载模型试验,针对空心锥形基础累积位移、转角和水平刚度进行研究。等幅值加载过程中,空心锥形基础沿加载方向减速移动,最终达到稳定状态;基础尺寸和荷载幅值对累积水平位移和转角影响显著,当荷载幅值δ_(b)为0.2和0.5时,位移量和倾角随底板直径的增大而增大,而当δ_(b)为0.8时,位移量和倾角随底板直径的增大先减小后增大;当δ_(b)为0.2、0.5和0.8时,水平刚度随底板直径的增大分别降低39%、59.7%、43.9%。变幅值加载过程中,空心锥形基础在幅值逐级增加时沿加载方向加速移动,水平刚度随基础底板直径的增大先增大后减小,在幅值逐级递减时沿加载方向减速移动,水平刚度随基础底板直径的增大先减小后增大;位移量和倾角在幅值逐级递增时最大,逐级递减次之,等幅值加载最小。通过对无量纲化累积转角拟合,提出等幅值累积转角计算公式,经验证,计算公式与模型试验结果吻合较好。

Characterization of Depleted Hydrocarbon Reservoir AA-01 of KOKA Field in the Niger Delta Basin for Sustainable Sub-Sea Carbon Dioxide Storage

This study characterized the AA-01 depleted hydrocarbon reservoir in the KOKA field, Niger Delta, using a multidimensional approach. This investigation involved data validation analysis, evaluation of site suitability for CO_(2) storage, and compositional simulation of hydrocarbon components. The primary objective was to determine the initial components and behavior of the hydrocarbon system required to optimize the injection of CO_(2) and accompanying impurities, establishing a robust basis for subsequent sequestration efforts in the six wells in the depleted KOKA AA-01 reservoir. The process, simulated using industry software such as ECLIPSE, PVTi, SCAL, and Petrel, included a compositional fluid analysis to confirm the pressure volume temperature(PVT) hydrocarbon phases and components. This involved performing a material balance on the quality of the measured data and matching the initial reservoir pressure with the supplied data source. The compositional PVT analysis adopted the Peng–Robinson equation of state to model fluid flow in porous media and estimate the necessary number of phases and components to describe the system accurately. Results from this investigation indicate that the KOKA AA-01 reservoir is suitable for CO_(2)sequestration. This conclusion is based on the reservoir's good quality, evidenced by an average porosity of 0.21 and permeability of 1 111.0 mD, a measured lithological depth of 9 300 ft, and characteristic reservoir – seal properties correlated from well logs. The study confirmed that volumetric behavior predictions are directly linked to compositional behavior predictions, which are essential during reservoir initialization and data quality checks. Additionally, it highlighted that a safe design for CO_(2) storage relies on accurately representing multiphase behaviour across wide-ranging pressure–temperature–composition conditions.

基于Fluent-OrcaFlex联合数值模型的海上风电场海底电缆冲刷及应力状态研究

利用Fluent流体力学CFD软件建立海底电缆冲刷的精细化水动力数值模型,以实测海流数据作为输入条件,模拟真实海况条件下的海缆冲刷过程,其次通过数据拟合获得海缆悬空长度和冲刷时长之间的定性定量关系,最后通过OrcaFlex水动力软件分析海缆裸露后的应力状态变化过程,判断海底电缆裸露后的运行安全状态。

深海载人潜水器潜航员岗位管理研究

在深海载人潜水器的运行中,深海载人潜水器潜航员处于核心地位,是我国深海战略实施中的重要因素,同时又是我国特殊的重要人才。随着“蛟龙”号科考作业任务的增加,建立一支素质优良、结构合理的潜航员队伍至关重要,文章分析了国外潜航员岗位管理及潜航员培养方法,结合我国载人潜水器作业实践,探讨总结我国潜航员及深潜工程技术人员的岗位及潜航员培养方法,旨在推动了“蛟龙”号载人潜水器潜航员队伍的培养,对未来我国深海载人潜水器潜航员培养具有重要的指导意义。为更加规范潜航员管理,更多人才加入潜航员队伍做好制度保障。

拖挂载荷下复合材料水下防护结构损伤分析

通过对水下防护结构的材料开展海水劣化和材性试验,证明玻璃纤维和乙烯基酯树脂组成的复合材料在海水浸泡后仍具有很高的强度。根据海底管道终端的功能需求对水下防护罩展开结构设计和铺层设计。并基于Larc05损伤准则,借助ABAQUS对所设计的水下防护罩展开拖挂载荷下的损伤分析和研究。分别对有无帽型加强筋的两种防护罩上的4个不同拖挂位置进行加载、计算和分析,发现结构最容易发生的是基体损伤。无帽型加强筋的防护罩在位置3和4相对位置1和2更容易出现损伤。有帽型加强筋的防护罩相对无帽型防护罩,在位置2处的承载力下降了29.6%,发生纤维断裂损伤,剩余位置处承载力都有所提升。

海域天然气水合物开采的地质控制因素和科学挑战

目前,国际上对天然气水合物产状、分布和特征的认识已取得显著进展,开展了一系列陆地多年冻土区和海域天然气水合物试采,但天然气水合物开采仍面临科学挑战。本文在综述全球天然气水合物勘探开发现状的基础上,阐述了天然气水合物储层分类及其开采的地质控制因素,提出了海域天然气水合物有效经济开采面临的资源评价、开采技术方法、储层地质参数和工程地质风险等4方面的科学挑战。要实现海域天然气水合物的有效经济开采,资源评价是基础,开采技术方法是关键。判定天然气水合物储层是否可采需要精确的储层地质参数,能否实现有效开采取决于工程地质风险的控制。