关于无泵运输系统在规则波浪中的流体动力响应的实验研究

《Results in Engineering》：Experimental investigation on hydrodynamic response of pump-free transport system in regular waves

深海采矿泵-free运输系统（PFTS）研究：采用悬浮存储运输仓（STW）与超高分子量聚乙烯纤维绳设计，通过1:25缩比模型试验分析波浪载荷下的动态响应。结果表明纤维绳张力峰值85.498-98.490N，动态放大系数（DAF）低于1.2，负载工况下俯仰加速度降低25%，横滚加速度降低15.4%，系统无共振风险且环境扰动小。

　　随着陆地矿物资源的逐渐枯竭，全球对关键金属的需求不断上升，这使得深海采矿成为关注的焦点。传统泵送系统在深海采矿中面临诸多环境和操作上的挑战，例如对海洋生态系统的潜在破坏以及设备运行中的复杂水动力效应。为了解决这些问题，本研究提出了一种全新的无泵输送系统（PFTS），该系统通过绞盘控制的悬浮式存储与运输仓库（STW）和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维绳实现矿物的高效、环保运输。这一系统的设计理念旨在结合主动系统的精确控制能力与被动系统的低环境影响，从而在保证操作效率的同时，最大限度地减少对深海生态的干扰。

为了验证该系统的可行性，研究团队进行了1:25比例的物理模型试验，试验条件设定为规则波环境。这种选择基于三点考虑：首先，规则波提供了一个可控且可重复的实验环境，便于系统动力学对波高和波周期变化的系统分析；其次，规则波通常能够诱导更显著且稳定的动态放大效应，为系统设计提供一个安全且关键的基准；最后，虽然实际海况由不规则波组成，但它们可以视为多个规则波的线性叠加，因此规则波的响应特性为构建和验证不规则波或波流相互作用的更复杂数值模型提供了必要的实验基础。

在物理模型试验中，研究人员重点关注了纤维绳的张力动态以及STW的运动响应。通过实验数据的分析，发现纤维绳的张力在动态放大系数（DAF）低于1.2的情况下保持安全水平，峰值张力范围为85.498-98.490 N。同时，加载状态下的STW相比未加载状态，其俯仰和横摇加速度分别降低了25.0%和15.4%。这表明，系统在不同操作阶段具有良好的稳定性，并且能够有效应对深海环境中的复杂水动力条件。

进一步的频谱分析揭示了STW在加载和未加载状态下的显著响应差异。未加载状态下，STW表现出接近波浪跟随的特性，响应频率在0.78-0.82 Hz之间；而在加载状态下，由于系统惯性增加，响应频率向0.66-0.70 Hz移动，减少了约20%。值得注意的是，未观察到共振现象，这表明系统在深海环境中的运行是安全的。此外，张力与波浪周期呈反比关系，而与波浪高度呈正相关，这一结果验证了系统在实际应用中的操作稳健性。

STW的设计采用了具有5厘米孔径的多孔网格结构，这一设计不仅能够有效保留矿物，还允许被动的水交换，从而避免了传统泵送系统中可能产生的底部水体大规模垂直输送和中层水体喷涌现象。该结构借鉴了海洋水产养殖笼的水动力特性，但针对深海采矿的特殊需求进行了优化。通过使用UHMWPE纤维绳，系统能够在极端条件下保持足够的强度和耐久性。这种材料具有极高的分子链取向性和稳定的碳-碳键结构，使其在海洋环境中表现出优异的抗腐蚀性和抗疲劳性。

实验过程中，STW的运输过程被划分为四个主要阶段：移动至预定位置、通过溅落区、深水区以及着陆阶段。其中，通过溅落区被认为是运输过程中最危险的阶段，由于水面运动和海洋环境因素（如风、波浪和洋流）的影响，纤维绳在此阶段经历显著的张力波动。然而，随着STW逐渐沉入深水区，张力趋于稳定。在着陆阶段，纤维绳松弛，张力迅速下降至零，表明绞盘在STW沉降至海底后继续释放绳索，使STW与海底接触。

在加载状态下，STW的运动响应更加稳定。其俯仰和横摇加速度分别降低了25.0%和15.4%。这一改进主要归因于STW在加载后浸入体积的增加，从而降低了其对波浪载荷的暴露面积，约减少了35%。同时，系统惯性的增加也有助于增强其运动稳定性。通过对比不同波浪参数条件下的实验结果，研究人员发现张力与波浪周期呈反比关系，而与波浪高度呈正相关。这表明，波浪周期越长，张力越低，而波浪高度越高，张力则相应增加。

在频谱分析中，研究团队采用两种方法：快速傅里叶变换（FFT）计算振幅谱，以及利用Welch方法和汉明窗估计功率谱密度（PSD）。这些方法的结合提供了对系统动态响应的全面分析。结果显示，未加载状态下，STW的主响应频率为0.78-0.82 Hz，而加载状态下则降至0.66-0.70 Hz，频率变化幅度约为20%。这一频率的降低是由于系统质量与惯性的增加，而没有出现共振现象，进一步验证了系统的稳定性。

此外，研究团队通过Keulegan-Carpenter（KC）数分析，探讨了纤维绳张力响应的水动力机制。KC数的范围在24到47之间，表明纤维绳在测试条件下主要受到阻力作用。这种阻力主导的流动特性解释了张力随波浪高度平方增长的现象，以及其与波浪周期的反比关系。在整个测试参数范围内，系统的水动力机制始终以阻力为主导，未出现向惯性力主导的转变。

研究还指出，该系统的动态放大系数（DAF）始终低于1.2，这符合DNV规范中对动态载荷的保守参考值（1.3）。这意味着，即使在极端海况下，系统也能够保持足够的安全裕度。通过使用UHMWPE纤维绳，系统能够在满足设计要求的同时，确保足够的安全储备。这种材料的高抗疲劳性也使得系统能够在低DAF条件下有效减少循环应力，从而防止材料疲劳损伤。

尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性。例如，由于无法同时满足雷诺数相似性，实验模型可能引入一定的尺度效应，影响水动力力预测的准确性。此外，规则波的实验条件较为理想化，与实际海洋环境中的不规则波谱和波流相互作用存在差异。因此，未来的研究应进一步探讨这些复杂因素对系统性能的影响，包括开展基于计算流体力学（CFD）的水动力系数校准、不规则波和波流耦合实验、实时张力控制系统开发、极端负载下的动态松弛-张力响应研究以及矿物质量分布对系统水动力响应的影响分析。

综上所述，本研究提出的无泵输送系统（PFTS）在深海矿物运输方面展现出技术可行性和环境可持续性。通过物理模型试验，系统在规则波条件下表现出良好的操作稳定性、较低的环境影响和较高的安全性。这些结果为未来深海采矿技术的发展提供了重要的理论支持和实验依据，同时也指明了进一步研究的方向，以克服当前实验模型的局限性，提升系统的实际应用价值。