基于CFD方法的海底集矿机模型外形优化.pdf

第3 6 卷第i 期 2 0 1 6 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G D 疆掘R 矾G V o l l 3 6N o l F e b r u a r y2 0 1 6 基于C F D 方法的海底集矿机模型外形优化① 黎宙1 ，阳宁1 ’2 ，陈宇翔2 ，陈铭2 1 ．长沙矿冶研究院深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南长沙4 1 0 0 1 2 ；2 ．中国科学院三亚深海科学与工程研究所，海南三亚5 7 2 0 0 0 摘要为了减少深海集矿机在工作中所受到的水阻力、提高能量利用率，利用流体力学软件，通过求解R A N S 方程，选择r e a l i z a b l e k - e 湍流模型，对集矿机模型在海底不同速度下行走进行了流场数值模拟，得出了模型水阻力随速度变化的一般规律。根据计算结 果对集矿机外形进行了优化设计，得到了几种减小水阻力的优化模型，数值计算结果表明，优化模型的外形设计能有效减小集矿机 水阻力，可为今后集矿机外形设计提供参考。 关键词深海集矿机；深海采矿；外形优化；水阻力；C F D 中图分类号P 7 4 4文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 6 ．0 1 ．0 0 1 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 6 0 1 - 0 0 0 1 - 0 5 C o n f i g u r a t i o nO p t i m i z a t i o nf o rt h eD e e p - s e aM i n e rM o d e lB a s e do nC F D UZ h o u1 ，Y A N GN i n 9 1 ”，C H E NY u x i a n 9 2 ，C H E NM i n 9 2 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE x p l o i t a t i o na n dU t i l i z a t i o no fD e e pS e aM i n e r a lR e s o u r c e s ，C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a ；2 ．S a n y aI n s t i t u t eo fD e e p S e aS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e ，S a n y a5 7 2 0 0 0 ，H a i n a n ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt om i n i m i z et h eh y d r a u l i cr e s i s t a n c ed u r i n go p e r a t i o na n di m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c yo fd e e p - s e a m i n e r ，n u m e r i e Ms i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e df o rt h em i n e rr u n n i n go nt h es e a f l o o ra td i f f e r e n ts p e e db ys o l v i n gR A N S e q u a t i o nw i t hC F Da n a l y s i ss o f t w a r ea n du s i n gr e a l i z a b l ek - em o d e l ．A n dt h eg e n e r a lp a t t e r nf o rh y d r a u l i cr e s i s t a n c eo f t h em i n e rm o d e lv a r y i n gw i t hv e l o c i t yw a sa l s oo b t a i n e d ．A f t e rt h a t ，t h ec o n f i g u r a t i o no fm i n e rW r i t 8o p t i m i z e db a s e do n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，l e a d i n gt os e v e r a lm i n e rm o d e l sw i t hh y d r o d y n a m i c sr e s i s t a n c er e d u c e d ．T h ef o l l o w i n gn u m e r i c a l c a l c u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o nd e s i g nc o u l dr e d u c ew a t e rr e s i s t a n c eo ft h em i n e re f f e c t i v e l y ，w h i c h c a np r o v i d ear e f e f e n c ef o rt h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g no ft h ef u t u r ed e e p s e am i n e r ． K e yw o r d s d e e p - s e am i n e r ；d e e p s e am i n i n g ；s h a p eo p t i m i z a t i o n ；h y d r a u l i cr e s i s t a n c e ；C F D 随着世界科学技术的飞速发展以及矿产资源的日 渐枯竭，人们越来越期待挖掘海底这座蕴含着丰富矿 产资源的宝库。集矿机作为海底采矿系统最关键也是 技术难度最大的部分，白2 0 世纪6 0 年代便成为科研 人员的研究重点J 。目前，国际上主要以自行式海底 集矿机研究为主，其主要功能是在深海海底能够按照 预定的路线行走并采集沉积岩表层的多金属硫化物、 富钴结壳等，在将其清洗、破碎、脱泥之后达到输送工 艺的要求心】。集矿机的工作环境为几千米深的海底， 工作环境十分恶劣，受力情况非常复杂，因此研究集矿 机在工作时的受力状况具有重要意义，而水阻力作为 其重要的组成部分，亦不可忽视。获取精确的水阻力 数据能更准确地对其进行动力学分析，从而实现对集 矿机的精确控制。 国内文献中对集矿机水阻力通常采取半经验半理 论公式1 或利用势流理论[ 4 1 进行计算，计算方式较为 简单，但与实际情况相差较大，从而使计算结果存在一 定误差。本文采用流体力学软件对集矿机运动时的流 场情况进行数值模拟以得到水阻力结果。通过设定环 境压力、来流速度等边界条件，模拟集矿机于海底流场 工作时的真实流动情况，得出水阻力的准确值，分析影 响水阻力变化的原因；提出了几种有利于减小水阻力 的集矿机模型，并通过数值计算与原模型作对比，得出 优化模型的有效性。 1 基本理论与数值方法 1 ．1 控制方程 不可压缩流体的R A N S 方程和连续性方程为 ①收稿日期2 0 1 5 一l l 一2 3 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 1 4 3 4 0 0 2 ；海南省应用技术研发与示范推广专项 Z D X M 2 0 1 5 1 1 2 作者简介黎宙 1 9 9 0 一 ，男，湖南长沙人，硕士研究生，主要研究方向为深海集矿机流体动力学。 万方数据 矿冶工程第3 6 卷 一至O x i 嘏一p 吲㈩ 式中P 为流体密度；p 为静压力；肛为流体粘度；t 为其 它外力；可为时均速度；M i ’为脉动速度；_ p M i ’u i ’为雷诺 应力项。 1 ．2 湍流模型 由于只考虑集矿机于海底进行匀速直线运动，无 旋转滑移等情况，流动情况较为简单，选用r e a l i z a b l e k - e 湍流模型，相对于标准的k w 模型，其采用了新的 湍流粘度公式，且占方程是从涡量扰动量均方根的精 确输运方程推导出来的，满足对雷诺应力的约束条件， 可在雷诺应力上保持与真实湍流一致，从而达到更准 确的模拟效果“ J 。其湍流动能k 方程及湍流耗散率占 方程分别为 f 昙c p 后， 毒c p 后u i ，。；害[ 肛 等 差】 G 皖一 Ip 占一％ 渺小毒∽2 去№儿O s lO X s i 】川 一 【p c i 之i c - 。詈c ，。G a c 卯} 5 。 2 式中G 。为由平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项； G 。为由浮力引起的湍动能产生项；％为可压湍动能中 脉动扩散的贡献；乞C ∽C 知，C 。。均为常数；叽和盯。为 湍流普朗特数；| s 。和S 。均为用户定义的源项；i x 。为湍 流粘度，可用k 和占表示为 ．k 2 r 2 p L 肛了 【C 肛A 。 A 。婴A o 。二 q 为湍流场中的平均应变、旋转速率和旋转角速度的 函数；C t m a x [ 0 ．4 3 ，蠢】旷| s 伊厥。 1 ．3 计算模型 计算模型以我国“九五”湖试所研制的第二代集 矿机 图1 为基础，其相关尺寸为长8 ．4m ，宽5 ．4m ， 高3 ．3m ，空气中质量约为21 0 0k g ，采用履带自行式 集矿方法[ 6 ] 。通过对其结构分析发现，它主要包括 4 部分履带行走装置、动力驱动装置、浮体以及集矿 装置。考虑其结构的复杂性，为加快模拟计算速度，提 高计算精度，以1 l 的比例建立集矿机的简化模型进 行数值模拟，主要分为履带及动力装置部分、浮体和集 矿装置3 部分，如图2 所示。 图1 我国第二代集矿机 图2 集矿机简化三维模型 1 ．4 边界条件设置 由于集矿车为左右对称结构，为节约计算资源，可 选取计算域1 ／2 进行计算。计算域相关尺寸见图3 。 速度入口模型头部向前2 ．5 L ，设定速度值为集矿 机工作时的运行速度秽，通过设定湍流强度与特征长 度识别。 图3 计算域相关尺寸设置 再一鸭 一叶 p ， 叶 0 堕挑i一一一吒歪％堕祝 万方数据 第1 期 黎宙等基于C F D 方法的海底集矿机模型外形优化 压力出E l 模型尾部向后牝为压力出口，P 0 ．1 0 1M P a 。 壁面条件模型外表面，无滑移；外场为滑移壁面。 对称面垂直于对称面的速度分量为0 ，％ 0 ，平 a 口 行于对称面的速度分量的法向导数为0 ， 0 。 d n 外场距离模型表面高约为4 ，宽为5 6 ，速度为受 扰动的主流区速度。 1 ．5 数值方法 对于简化模型，由于其结构相对较简单，采用自动 网格进行划分也可具有很高的网格质量，在集矿机表 面创建边界层网格 p r i s m ，其它计算区域自动生成六 面体核心网 T r i m m e d 。 集矿车计算域网格如图4 所示，网格数量为1 6 0 万 左右，网格质量最小为0 ．6 ，平均网格质量达到0 ．9 以上。 对车体附近按基本尺寸0 ．1m 的5 0 ％、1 5 0 ％和2 5 0 ％分 别设置3 个加密区域，使网格大小实现逐步过渡，得到 较好的计算结果。图5 为车体附近网格分布情况。 图4 计算域网格图 图5 车体附近局部加密网格 物理模型选用分离求解器，选用r e a l i z a b l eI | } - s 湍 流模型和雷诺平均湍流模型。选取海水密度为10 1 0 k g ／m 3 ，动力黏度为1 ．3 1 3 1m P a s ，环境压力设置为海 底60 0 0m 处所受压力即6 0M P a 。 2 计算结果分析 集矿机在海底的正常行驶速度是由其对海底多金 属结核的最佳采集速度所决定的，一般为0 ～1m ／s ，而 海底洋流速度一般为0 。1 5c m ／s ⋯，所以分别模拟集 矿机模型在0 ．4 ，0 ．6 ，0 ．8 ，1 ．O ，1 ．2m ／s 等不同速度下的 运动情况，得出其所受的水阻力大小，并对计算域内流 场及模型表面的压力分布情况进行分析。 图6 为速度1m ／s 时车身对称面上的压力云图。 从图中可以看出车表面附近压力按一定梯度扩散，其 中压力最大的部分主要出现在集矿装置的前部、履带 前部与地面接触部分及箱体前表面的右半侧，说明这 几个部分是集矿机的主要阻力来源；履带及箱体边缘 均有较大的负压产生，但面积很小，主要是由于这几个 地方水流速度很大，从而产生负压点；车身以后大部分 区域均处在负压范围内，但压力梯度变化较小，对阻力 的产生影响较小。 图6 计算域车身对称面压力分布云图 图7 为对称面上速度矢量图。从图中可以看出计 算域内大部分流场以层流形式出现，集矿装置下面及 集矿车模型后部均有涡流产生。 』◆ 图8 为集矿机车身流线图，流线的切线方向即为 质点的速度方向。由图可知，流线在经过车身后，中间 大部分沿着集矿装置的斜板往上流过，两边流线经箱 体阻挡后偏于往外扩散，少部分流线由箱体中间缝隙 穿过，行成涡流。 慧 V e l o c i l y N o W n i t u d e 蚋l ，” ”’酱l 叠h ■■嘲舻”。峨鞘l i ” 图8 车身流线图 万方数据 4 矿冶工程 第3 6 卷 在海底，由于海流速度很小，其水阻力可分解为压差阻 力和黏性阻力。由计算结果可得矿机模型的压差阻 力、黏性阻力在不同速度下的阻力曲线，见图9 。由图 可知，压差阻力是产生集矿机水阻力的重要原因，黏性 阻力相对而言只占很小的一部分。图1 0 为阻力系数 随速度的变化关系。由图可知，阻力系数值较稳定，在 很小的范围内波动，平均值为0 ．7 8 2 。 速度／ m s 。1 图9 速度- 阻力关系图 速度／ m s 4 图1 0 速度- 阻力系数关系图 3 模型优化设计及分析 3 ．1 阻力优化设计 由前面的计算结果分析可知，要减小集矿机所受 的水阻力就是减小其压差阻力，由水阻力的计算公 式㈨ 1 F C a p v 2 A 3 二 式中F 为水阻力；C 。为水阻力系数；p 为海水密度； 口为集矿车工作速度；A 为车迎水面积。在水阻力系数 及速度不变的情况下，减小水阻力的方法就是减小车 身的迎水面积。针对集矿机的结构特点，在保持相关 尺寸不变的情况下，可对集矿装置部分及浮体部分进 行优化设计[ 9 ] ，将集矿装置的上半部进行缩E l 设计， 减少其迎水面积，或将机械箱体置于采集装置后面，进 一步减少集矿机两侧流体阻力，得到如图1l 所示的两 种优化模型。 图11 集矿机优化模型 对优化模型选取与原模型相同的计算域及边界条 件进行数值计算，得到优化模型与原模型的水阻力对 比，如图1 2 所示。可以看出优化模型a 所受的水阻力 与原模型很接近，在同一速度下相差不大；优化模型b 的水阻力变化则十分明显，在相同速度下减小至原模 型的5 0 ％以下，且随着速度增大，阻力值相差变化越 明显。对两个优化模型的压力分布云图及车体附近速 度流线图的分析可知，a 模型集矿装置部分压力分布 变小，浮体前表面所受压力增大，迎水面积虽略有减 小，但总体阻力相对于原模型来说还有所增大；b 模型 的浮体位于集矿装置的后方，海水经集矿装置后大部 分由浮体上方和两侧流过，压力分布主要位于集矿装 置前部，浮体所受压力较小，且集矿车迎水面积减少较 大，有效减少了集矿机所受的水阻力。 速度／ m s ．1 、 图1 2 优化模型与原模型阻力对比曲线 3 ．2 无浮体模型设计 通过对集矿机模型的结构分析，结合当今韩国、德 国和美国等的集矿机分析可知，浮体部分对于集矿机 的作用仅为减少集矿机对海底表面的压力，而其所占 用的空间较大，在海底长久工作后材料易受海水腐蚀， 从而失去作用，其自重反而增大集矿机对地表的压力， 因此可设计出不加浮体的集矿机模型，可进一步减少 其迎水面积，如图1 3 所示。 对以上两种无浮体模型选取与原模型相同的计算 域及边界条件，分别进行数值计算，得到在不同速度下 的阻力值，如图1 4 所示。从图中可以看出，当速度为 毫 黪＼＼ 舯 ／Z 万方数据 第1 期 黎宙等基于C F D 方法的海底集矿机模型外形优化5 图1 3 无浮体模型 速度／ m s ‘1 图1 4 无浮体模型速度阻力曲线对比图 0 ．4m ／s 时，3 个集矿机模型所受水阻力相差较小，随 着速度增大，差距越来越显著，无浮体集矿机模型水阻 力增长较慢，模型b 集矿部分在采用新的结构后阻力 值最小。分析原因可知，集矿机在低速下行走时，雷诺 数较小，其压差阻力主要受迎水面积的影响，随着速度 增大，湍流强度越大，阻力值变化也越明显。 4 结论 通过对集矿机模型在不同速度下的数值模拟，研 究其水阻力结果，表明数值计算能较好地模拟出集矿 机模型在海底所受的阻力情况；集矿机的阻力主要分 布于集矿装置及浮体上，迎水面积的大小对整体阻力 有决定性的作用；得出集矿机在不同速度下所受到的 阻力值大小及阻力系数。通过对集矿机表面的压力分 布及附近流线的分析，结合实际情况，设计了几种集矿 机的优化模型，并用数值计算证明了其对于阻力优化 的可行性。 参考文献 [ I ] 阳宁，陈光国．深海矿产资源开采技术的现状与发展趋势[ J 】． 凿岩机械气动工具，2 0 1 0 1 1 - 5 ． [ 2 ]陈峰，桂卫华，王随平，等．深海底采矿机器车的研究现状[ J ] ． 矿山机械，2 0 0 5 9 1 - 3 ． [ 3 ]戴瑜．履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析 [ D ] ．长沙中南大学机电工程学院，2 0 1 0 ． [ 4 ] X i a o z h o uH ，S h a n j u nL ．S i m u l a t i o na n dC a l c u l a t i o no fH y d r o d y n m i c F O l C e o fC o m p o n e n t so fD e e pS e aM i n i n gS y s t e m [ J ] ．D i g i t a lM a n u f a c t u r i n ga n dA u t o m a t i o n I C D M A ，2 0 1 0 ．1 2 ． [ 5 ] 张凯，王瑞金，王刚．F l u e n t 技术基础与应用实例 第二版 [ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 1 0 ． [ 6 ]中国大洋矿产资源研究开发协会．大洋多金属结核中试采矿系统 “九五”综合湖试报告[ R ] ．中国大洋协会，2 0 0 2 ． [ 7 ] 倪建宇，周怀阳，彭晓丹，等．中国多金属结核开辟区的深海环境 [ J ] ．2 0 0 2 1 4 3 4 7 ． [ 8 ] 赵汉中．工程流体力学[ M ] ．武汉华中科技大学出版社，2 0 1 1 ． [ 9 ]K i n s e yJ C ，E u s t i c eR M ，W h i t c o m bL L ．As u r v e yo fu n d e r w a t e rv e h i c l e n a v i g a t i o n R e c e n ta d v a n c e sa n dn e wc h a l l e n g e s [ c ] ∥I F A CC o n f e r - e n c eo fM a n o e u v e r l n ga n dC o n t r o lo fM a r i n eC r a f t ，2 0 0 6 ． 矿冶工程杂志2 0 1 6 年征订启事 矿冶工程 双月刊 由中国金属学会、长沙矿冶研究院有限责任公司主办，面向国内外公开发行。本刊是中国期 刊方阵“双效期刊”、全国中文核心期刊、中国科学引文数据库 C S C D 及中国学术期刊综合评价数据库来源期刊、 中国核心学术期刊 R C C S E ，是集学术性和技术性于一体的综合性刊物，已被中国知网 C N K I 、万方数据库、重庆维普 资讯、台湾华艺数据库等全文收录，是国外多家知名检索机构的检索对象。 矿冶工程读者对象是采矿、选矿、冶金、材料、地质、化工等系统的有关生产人员、院校师生和管理人员。主要栏 目为采矿、选矿、冶金、材料、矿冶行业企业管理等，内容新颖，是开拓、激发创造力的良师益友。 矿冶工程编辑部承接彩色、黑白及文字广告业务，欢迎各企事业单位来电来函联络。 矿冶工程真诚欢迎新、老订户向全国各地邮局订阅本刊，也可直接向编辑部订阅。邮发代号4 2 5 8 ，大1 6 K ，定价 2 0 元，全年1 2 0 元。 地址湖南省长沙市麓山南路9 6 6 号联系人黄小芳 邮编4 1 0 0 1 2 开户名称矿冶工程杂志 长沙 有限公司 电话1 0 7 3 1 8 8 6 5 7 0 7 0 ／8 8 6 5 7 1 7 6 ／8 8 6 5 7 1 7 3 开户银行工商银行长沙左家垅支行 传真 0 7 3 1 8 8 6 5 7 1 8 6 帐号1 9 0 1 0 1 3 0 0 9 2 0 1 0 9 5 5 0 2 E - 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