《Journal of Marine Science and Engineering》：Underwater Configuration and Safe Operating Domain of a Deep-Sea Mining Vehicle–Flexible Hose System Considering Structural and Two-Phase Flow Constraints
编辑推荐：
连接海床采矿车与中继站的柔性软管必须保持悬空、限制车辆载荷、满足弯曲约束，并维持稳定的浆体输送。本研究将集中质量软管模型、时域车辆运动分析以及结构-流动顺序耦合与CFD–DEM相结合，以确定一根220 m单拱软管的安全作业域。使用海床间隙、有效张力、曲率和车辆
连接海床采矿车与中继站的柔性软管必须保持悬空、限制车辆载荷、满足弯曲约束，并维持稳定的浆体输送。本研究将集中质量软管模型、时域车辆运动分析以及结构-流动顺序耦合与CFD–DEM相结合，以确定一根220 m单拱软管的安全作业域。使用海床间隙、有效张力、曲率和车辆载荷筛选了十三种浮力布局。在测试布局中，从车辆端延伸至0.6L的浮力段提供了最佳折中。在向外行驶过程中，转弯引起的峰值主导结构安全；路径优化后，软管纵向和横向载荷峰值分别为17.78 kN和22.38 kN，最小弯曲半径保持在2 m以上。在参考浆体流速5 m/s和固相体积分数10%的条件下，40 m车-中继间距在下弯段附近产生强烈颗粒滑移和浓度反弹，而197 m间距则促进颗粒积聚和更厚的移动床。综合结构和输送约束，推荐水平间距为80–160 m。缩比水池试验和已发表的垂直管基准验证了数值方法。所得作业域为在此处所采用的假设下进行路径边界设计提供了实用基础。
深海多金属结核开采系统通常由履带式采矿车、柔性软管、水下中继站和刚性立管组成。柔性软管作为移动采矿设备与提升系统的关键接口，承担着将结核矿浆从海床输送至中继站的任务，同时必须保持悬空、限制传递给车辆的载荷、满足弯曲半径约束，并保证内部浆体流动稳定。随着低碳技术对铜、钴、镍等关键矿产需求日益增长，深海多金属结核开采受到持续关注。然而，既有结构安全研究多集中于浮力分布对软管构型、端部张力和车辆载荷的影响，车辆运动路径与浮力布局优化常被分开处理；同时，软管内部固液两相流的安全性很少被用作定义车辆作业区域的几何约束。为此，研究人员针对一根220 m单拱柔性输送软管，建立了顺序多模型框架，将结构响应与两相流输送特性联合纳入安全作业域分析。
该框架首先采用集中质量（lumped mass）软管模型，在OrcaFlex中开展静力和时域动力计算，以海床间隙、端部有效张力、曲率和车辆载荷为指标筛选浮力布局；随后将五种车辆-中继水平间距对应的软管中心线坐标从OrcaFlex导出，在CATIA中重建三维流体域，并导入CFD–DEM（计算流体力学-离散元）耦合模型，评估参考输送条件下的颗粒速度与局部固相浓度；最后将结构约束与输送约束取交集，得到基于距离的环形作业域。结构模型与流动模型采用顺序单向耦合，即软管几何由结构计算给出并传递至流动域，而CFD–DEM结果不反馈更新软管变形。
研究人员使用的主要关键技术方法包括：① 集中质量软管模型与OrcaFlex时域模拟，用于计算软管节点力系和车辆受到的软管作用力；② CFD–DEM耦合求解，采用Fluent与EDEM，流体相基于压力求解器和realizable k–ε湍流模型，颗粒相采用Hertz-Mindlin接触模型，并考虑拖曳、Saffman升力、虚拟质量力和压力梯度力；③ 基于CATIA完成三维几何重建和多面体网格划分；④ 采用1:100缩比水池试验与已发表的垂直管固液两相流基准试验进行验证。数值模型采用文中给出的220 m软管、22个浮力模块以及单粒径20 mm球形颗粒等参数。
研究结果按论文主体部分概述如下。
3.1 静态几何分析：对不同浮力布局下软管构型的比较表明，浮力段的起始位置和覆盖长度共同控制软管的悬空状态、端部有效张力和曲率分布。当浮力段从车辆端起始且覆盖长度小于0.5L时，软管与海床接触；当浮力段过于偏向中继站时，端部有效张力变为负值，出现轴向压缩。综合悬浮性、正有效张力、曲率均匀性和车辆载荷，方案11（浮力段自车辆端延伸至0.6L）为最优布局。
3.2 行驶过程中的动态力学特性：车辆远离中继站时，转弯使车辆坐标系快速旋转，而软管端部力方向不能瞬时调整，导致纵向和横向载荷出现明显峰值。在远离阶段后期，所有保留布局均超过18 kN纵向牵引限值、40.9 kN横向稳定限值，且端部最小弯曲半径低于2 m。车辆靠近中继站时，软管逐渐松弛，载荷幅值下降，临界弯曲位置从软管端部转移至拱顶和底部弯段，但最小弯曲半径仍满足要求。因此，向外行驶是结构安全的高风险工况。
3.3 软管空间几何对固液两相流的影响：对40、80、120、160和197 m五种水平间距的构型进行CFD–DEM模拟。结果显示，颗粒在上升段滞后于流体，在下降段则快于流体。40 m高曲率构型中，颗粒在进入底部弯段时被强烈加速并经历剧烈碰撞减速，引发局部浓度反弹；197 m平缓构型中，重力沿流向分量减弱，颗粒易于在上升段堆积并形成较厚移动床。120 m间距的颗粒速度和浓度沿程波动最小，因此推荐水平间距为80–160 m。
3.4 双约束下采矿车安全作业区确定：根据结构约束修改初始路径后，车辆最大总软管力为32.26 kN，纵向、横向和垂直软管载荷峰值分别为17.78、22.38和22.44 kN，均低于对应限值；端部A、端部B、拱顶和底部弯道处的弯曲半径全部保持在2 m以上。将输送约束（内边界80 m）与结构约束（外边界160 m）相交，得到围绕中继站的水平各向同性环形安全作业域。
实验验证方面，1:100缩比水池试验中，仿真与实测软管构型的垂直坐标平均绝对误差为0.034 m，定性再现了不同浮力布局和间距下的构型变化趋势；垂直管基准中，CFD–DEM预测的平均颗粒速度和局部固相体积分数与实验值偏差不超过10%。这为数值框架的比较使用提供了支持。
在讨论中，研究人员指出本框架采用单向顺序耦合，局部两相流力波动对结构变形的反馈未被量化；两相流模拟仅在单一参考工况下进行，且未考虑波浪、横流、海床起伏和车辆-沉积物耦合效应，因此80–160 m间距是条件性结论，实际部署需结合现场参数并预留安全裕度。
翻译研究结论部分：浮力段长度和位置共同控制软管悬垂、曲率和端部有效张力；车辆端覆盖不足的布局导致海床接触，过于偏向中继站的布局产生负端部张力，方案11（0–0.6L）提供了最佳平衡。向外行驶尤其在大间距下转弯时主导结构安全；初始路径超出纵向、横向和弯曲半径限值，路径优化后峰值纵向、横向和垂直软管载荷分别为17.78、22.38和22.44 kN，所有弯曲半径保持在2 m以上。参考输送条件下，40 m间距产生最强烈的颗粒滑移和下弯段浓度反弹，197 m间距促进颗粒堆积和移动床形成，120 m间距的流场变化最为平缓；结合结构和输送准则，推荐水平间距为80–160 m。缩比水池试验和垂直管基准验证了数值方法，但作业域仍依赖简化颗粒表示、环境假设和单向耦合前提。所建立的多约束评估框架和环形安全作业域可为深海多金属结核采矿系统初步设计提供理论支持，辅助确定采矿车与中继站的水平安装偏移，并为路径规划提供约束参考。
