复合软管的内流特性影响及受力分析

随着各国陆地资源的日趋减少，战略资源的   竞争焦点逐步转向海洋，海洋矿产资源已成为世界各国关注的   。目前较有商业开采前景的采矿工艺是固液两相流管道提升式}t}，该工艺利用海底集矿车采集矿石，再利用管道将矿石提升到水面采矿船上。该开采方式具有环保   、低成本和适合深海采矿运输等特点。复合软管为满足集矿车回采路径的需要及适应海底地形起伏变化，需在中继仓与集矿车之间连接一段软管，使采矿系统易于控制、操作及采矿，从而使采矿过程   指数显著提高。软管空间形态在整个深海采矿系统中具有重要作用，但软管复杂的空间形态不利于输送固体矿石，容易发生堵管事故。因此如何软管   是深海采矿系统设计所面临的重要问题之一。

在重力作用下，软管可能触及海底，管道与海底的摩擦力将使集矿车无法运动，因此，   在软管上加装浮力材料，使其悬浮在海水中。通过在输送软管上添加浮力球，使软管在水中的整体浮力与重力大致相当。如浮力不够，在浓度较大时，软管很有可能触及海底；如浮力比整体重力大很多，将减少集矿车接地比压，影响其运动性能。因此，软管浮力材料的配置需要优化计算。

输送软管的形态变化不仅受到集矿车拖曳力和软管自身的重力、浮力作用，还受到软管内部固液两相流对软管的作用力，主要受到的力为内流流体的冲力和重力。

因此，当软管中固体颗粒的体积浓度越高时，内流流体密度变大，固液两相流对软管的压力也随之增大，从而导致软管隆起幅度变小，且软管两侧下垂幅度变大。

因此，当复合输油软管悬浮在水中且外流条件不变时，软管形态变化主要受集矿车拖曳力和软管内流特性的影响。软管形态的主要影响因素有软管的内流流速、内流密度及集矿车的位移距离等。因此本文通过试验，   这几个因素对软管形态变化的影响，探究软管的内流流速、内流密度及集矿车移动距离与软管形态之间的关系。

无论清水内流还是浆体内流，当流速固定时，随着集矿车在水槽底部匀速行驶时，软管较大角度逐渐增加，且软管形态不断向上隆起。但软管起始角度呈现降低趋势，软管两侧出现下垂现象。内流为浆体时软管上升摆幅略小于清水内流，软管两侧下垂幅度大于清水内流。因此，当浆体内流时，随着内流密度的增大，软管隆起幅度降低，两侧越加下垂。此试验结果与软管的受力分析相符，当软管中内流密度越高时，固液两相流对软管的压力也随之增大，从而导致软管隆起幅度变小，且软管两侧下垂幅度变大，软管的较大倾斜角度增大。

结论

综上所述，本文通过对深海采矿软管进行受力分析，并设计了深海采矿软管输送模拟试验系统及试验方法进行试验，探究了不同工况条件下软管形态动态变化特征及其规律，得出如下结论：

1)随着集矿车在水槽底部移动距离加大，集矿车与中继仓相对距离变小，而软管总长度不变，软管空间形态会在力的平衡作用下达到合理分布，即软管向上隆起，软管角度呈线性增长趋势；

2)集矿车固定不动时，随着内流流速加大，管内流体向上的冲力增大，因此软管倾斜角度不断增加，软管向上隆起幅度增大；

3)当集矿车在水槽底部自由行驶，内流流体为浆体且流速固定时，输油软管较大倾斜角度呈线性增长趋势，与内流介质为清水时相似。由于浆体内流密度远远大于清水内流密度，单位流体重力增大幅度大于流体向上冲力的增大幅度。因此，软管隆起幅度较小，且两侧下垂   加明显，较大倾斜角度偏大。