学术期刊丨《海洋工程》2023年第5期中文摘要 -海洋工程杂志官网

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砂土中吸力式导管架基础沉贯试验研究

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张浦阳，马宇轩，乐丛欢，丁红岩

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（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津  300350）

摘要：吸力式导管架基础具备高承载力、高施工效率、高环境友好度、低造价等特点，使用其作为海上风电底部支撑结构有利于产业的规模化发展，实现上述愿景的前提在于使筒型基础顺利安装以满足设计要求。基于此，在不同初始施加泵压下，对吸力式导管架的沉贯效率特征值、基础内外围渗流变化、筒裙端部土压力特点进行探究。通过抱桩器使吸力式导管架在吸力安装过程中仅具备竖向自由度，从而进行纯沉贯试验。结果表明：初始泵压2 kPa时沉贯效率特征值最高；沉贯过程中基础外围渗流水压小于基础内围渗流水压；筒裙外侧所受土压要大于筒壁内侧所受土压力。

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关键词：海上风电；筒型基础；沉贯试验；沉贯效率特征值；渗流

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多频参激—涡激联合作用下顶张力立管分岔分析

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张昕涛1，赵珧冰1,2，蔡绍辉1，陈林聪1,2

（1 华侨大学 土木工程学院，福建 厦门  361021；2 福建省智慧基础设施与监测重点实验室，福建 厦门  361021）

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摘要：复杂海洋环境中，顶张力立管顶部平台受到不同分量叠加的波浪作用，导致其轴向张力与多个频率相关，系统产生多频参激与涡激的联合振动，其动力学行为变得更为复杂，尤其是分岔和混沌等非线性振动特性有待进一步分析。首先，基于欧拉—伯努利梁理论，引入范德波尔尾流振子，建立和推导受多频参激—涡激联合作用下立管的动力学模型及其运动微分方程；接着，利用伽辽金法得到离散后的常微分方程组，采用多尺度法得到系统共振响应的调谐方程；最后，通过数值算例探究系统在多源和多频载荷联合作用下的共振响应。结果表明：对于多频参数激励，其中一个参数激励幅值在立管振动中起主导作用，而另一个会引起分岔的位置、数量和性质发生改变；随质量—阻尼参数增大，系统共振响应幅值整体先增大后减小，各分岔点出现的位置整体先向泄涡频率较大处移动，随后向泄涡频率较小处移动；质量—阻尼参数的变化还可能诱使系统发生倍周期分岔和混沌现象，危害结构安全。此外，采用直接数值积分求解微分方程组，验证近似分析结果，两者吻合较好。

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关键词：顶张力立管；涡激振动；多频参激振动；分岔与混沌

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

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陈英杰1,2，陈明胜1,2，周昊2，张显雄3

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（1. 高性能船舶技术教育部重点实验室（武汉理工大学）,湖北 武汉 430063；2. 武汉理工大学 船海与能源动力工程学院,湖北 武汉 430063；3. 保利长大工程有限公司，广东 广州 510620）

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摘要：垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响，从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响，建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先，基于三维势流理论，采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析，分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律；进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析，探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明：垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO，但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响；具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板，在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势，说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。

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关键词： 半潜式风机基础；垂荡板；拖航作业；水动力性能；时域分析

考虑流固耦合效应的单桩式海上风电机组结构响应模拟

乐可定1，郁  冶2，赵兰浩3，牟凯龙3

（1.浙江浙能国电投嵊泗海上风力发电有限公司，浙江 舟山  316000；2.国家电投集团浙江新能源有限公司，浙江 杭州  310016；3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京  210098）

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摘要：针对海上风电整机系统，建立了一体化流固耦合分析方法。在模拟过程中，采用浸入边界法解决风机叶片旋转引起的静动干涉问题，利用改进的守恒式 level set（简称 ICLS）方法捕捉海浪自由面，并使用交错迭代法求解流固耦合方程。通过构建 “风机—塔架—基础”一体化流固耦合数值模拟方法，能够在一次仿真计算中实现海上风电整机系统的全过程数值模拟，准确求解多荷载耦合作用下“风机—塔架—基础”的整体结构动力响应。以某单桩式海上风电工程为例，验证了本方法能够实现对海上风电整体系统的一体化分析。

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关键词：海上风电；流固耦合；运行全过程；ICLS；单桩基础

风和流作用下单链式系泊养殖工船“鱼尾运动”研究

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孙嘉阳1,2,3,4，许玉旺1,2,3,4，付世晓1,2,3,4,赵  冰1,2,3,4，宋  斌1,2,3,4，张萌萌1,2,3,4，任浩杰1,2,3,4

（1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海  200240；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海  200240；3.高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海  200240；4.极地深海技术研究院,上海  200240）

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摘要：单点系泊船舶在受到风、流等外力作用下通常会产生大幅周期性艏摇运动，称为“鱼尾运动”。剧烈的鱼尾运动可能会导致系泊系统的锚链承受过大的张力从而遭到破坏。为了充分认识单点系泊状态下养殖工船的鱼尾运动，针对一艘十万吨级单链式系泊养殖工船进行了数值分析及模型试验研究。首先，通过风洞模型试验测得养殖工船的风、流载荷系数，以此作为输入对风、流联合作用下养殖工船的动力响应进行了数值模拟分析；同时，开展水池模型试验验证了数值计算结果的准确性和可靠性；最后，通过数值计算研究了不同风速和流速下单链式系泊养殖工船鱼尾运动的特性和规律，为实际工程设计提供一定的参考。

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关键词：养殖工船；单链式系泊；鱼尾运动；模型试验

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非线性铰接浮体波能转换器的动力学特性研究

刘家瑞1,2，张海成1，周  潇1，徐道临1

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(1.湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙  410082；2.中国船舶科学研究中心，江苏　无锡  214082)

摘要：针对传统铰接浮体波能转换器捕获效率低、频带窄的瓶颈，提出一种新型高效波能捕获仿生非线性连接结构。该连接结构具有转动负刚度效应，可起到被动相位控制作用，提高系统的波能捕获效率。首先，基于海蛇脊柱骨结构的柔性约束机理，设计了一种高效波浪能捕获仿生连接结构，该结构由球窝结构、球头、翅状突出物和类肌肉柔性结构组成；其次，基于线性波浪理论和Cummins 方程，建立两模块非线性波能转换器的动力学模型，并采用谐波平衡法解析求解非线性控制方程；最后，开展了数值模拟研究，分析了规则波激励下该新型波能转换器的波能转换特性。结果表明：通过引入新型高效仿生连接结构，可有效降低系统的等效固有频率；当连接器的负刚度结构调整到合适参数时，系统的弹性力可以在纵摇相平面上形成一个椭圆势阱，其椭圆势阱的长轴接近铰接浮体系统相对纵摇运动的模态方向，由此驱动两个模块的相对纵摇运动趋于反相，起到被动相位控制的作用。

关键词：波浪能；铰接浮体；波能转换器；连接结构；捕获效率

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浮冰在规则波和双色波下的运动特性研究

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黄龙威1,2，杨建民1,2，卢文月1,2

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（1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海  200240；2.上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院，海南 三亚  572000）

摘要：为研究浮冰在波浪下的运动特性，以单个聚氯乙烯（PVC）塑料圆板模拟浮冰，进行了一系列波浪试验研究。在规则波试验基础上，同时研究了双色波条件下的浮冰运动特性。结果显示：规则波条件下浮冰运动幅频响应算子首先随无量纲波长的增大而增大，当无量纲波长大于4.0后，运动幅频响应算子随无量纲波长的变化不明显，且趋于一定值；在双色波条件下，对应频率组成成分的浮冰运动幅频响应算子与规则波条件下随波长的变化规律一致。根据部分规则波试验结果提出预测浮冰慢漂速度的经验公式，并用已有的试验和余下的规则波与双色波试验结果进行验证。结果表明，经验公式对规则波和双色波条件下的浮冰慢漂速度的误差在20%以内，预测结果吻合较好。

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关键词：浮冰运动；模型冰；慢漂速度；双色波；纵荡

“烟花”台风影响下长江口水域波浪分布特征研究

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刘华帅，杨  氾，王红川

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（南京水利科学研究院 水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京  210029)

摘要：台风往往会带来强风、大浪、风暴潮。强潮大浪给长江口深水航道整治工程的维护带来挑战。构建了覆盖中国海的台风浪—风暴潮耦合数学模型，模拟了台风“烟花”作用下长江口北槽水域波浪的发展过程，分析了长江口北槽水域波浪分布特点和台风强度。研究表明：叠加风场和潮汐模式共同驱动的台风浪―风暴潮耦合模型，可以准确模拟台风期间长江口水域波浪的生成和发展过程；“烟花”台风期间，外海大浪以东方向浪为主，长江口北槽南挡沙堤沿线有效波高最大值介于1.61~5.22 m之间，自东向西逐渐衰减；台风过程中，长江口北槽水域有效波高在台风二次登录时刻达到最大，口门处有5. 0 m以上大浪；依据台风过程中长江口风速及外海波高、周期与参考规范值对比分析得出，“烟花”台风过程波浪强度约为50年一遇。

关键词：长江口；“烟花”台风；台风浪－风暴潮耦合；波浪分布

考虑预载固结效应的海底浅基础承载力包络面演化规律研究

林雯钘1, 2，李志坚2，廖晨聪1, 2，张璐璐1, 2，叶冠林2

(1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海  200240；2.上海交通大学 土木工程系，上海  200240)

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摘要：由于预载下土体固结，海底浅基础的承载力会随作业时间的增加而改变，其时变效应评估困难。基于修正剑桥模型，采用水土耦合有限元方法研究了预载作用下浅基础在正常固结黏土海床中承载力破坏包络面的时变规律。在验证数值模型准确性后，通过位移探针测试获取复合加载模式下浅基础的破坏包络面，揭示了预载和固结程度对基础承载力和破坏包络面的影响，给出了预载作用下浅基础承载力包络面计算方法。结果表明：随着预载比增加，固结单轴承载力呈现线性增长，固结承载力增幅在水平向最大；部分固结承载力相对增幅与预载比无关，而随固结度变化；破坏包络面形状由预载比控制，而包络面大小由预载比和固结度共同控制。研究结果可为海洋浅基础的时变承载力评估提供参考依据。

关键词：海上风电；海底浅基础；预载；固结效应；破坏包络面；承载力

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考虑初始嵌入深度变异性的海底管道整体侧向屈曲分析

王洪羽1,2，王宽君3，王臻魁4，国  振1

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（1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州  310058；2.浙江大学海南研究院，海南 三亚  572025；3. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 海洋岩土工程勘察技术与装备浙江省工程研究中心，浙江 杭州  311122；4. 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山  316021）

摘要：海底管道是海洋油气工程的重要组成部分，在高温高压运行状态下易发生整体屈曲，开裂破坏后造成油气泄露。海床土体对管道的侧向抗力是影响其屈曲的关键因素，而管道侧向抗力发挥与初始嵌入深度密切相关。构建了海底管道整体屈曲数值模型，对初始嵌入深度等因素进行不确定性分析，揭示了初始嵌入深度变异性对管道屈曲的影响机制。研究发现：当初始嵌入深度越大、初始缺陷越小时，管道临界屈曲轴力越大，屈曲位移越小；管道嵌入深度变异性的存在会导致管道更易屈曲，并诱发不对称的三阶屈曲或更高阶屈曲；管道嵌入深度在空间上的变异性对屈曲发生概率P（p＜pdet）存在影响，而相关性的改变对管道屈曲影响较小；管道存在屈曲模式转变界限升温，当屈曲升温大于界限升温时，管道发生跳跃型屈曲，反之则发生分岔型屈曲。

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关键词：海底管道；初始嵌入深度；变异性；随机场；整体侧向屈曲

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

朱俊杰，陈卫东，任  冰，王永学，王国玉

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(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连  116024）

摘要：悬跨海底电缆作为细长柔性结构，在静力平衡状态下具有一定的垂度，在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同，其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计，试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据，采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明：垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内，对一定长度的悬跨海缆模型，当垂跨比较大时，随着流速的增大，模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态；当垂跨比较小时，模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时，疲劳损伤最大值达到0. 1~0.7。

关键词：海底电缆；悬跨；涡激振动；模态分析；疲劳损伤

深海采矿车布放回收中脐带缆轴向张力响应特性研究

杨祥云，吕海宁，杨建民，孙鹏飞

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海  200240)

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摘要：在深海采矿车布放回收中，准确预报脐带缆在底部自由悬垂边界条件和顶部波浪载荷随机激励等共同影响下的动力响应是关键点之一。基于三维势流理论与集中质量法，结合水面支持船运动和海流联合激励，对深海布放回收中脐带缆的顶端张力等力学特性进行研究。结果表明：在布放回收过程中，轴向张力在结构载荷中占主要成分；由波浪引起的轴向张力极值与均值差距最大可达到54%；轴向张力的频谱存在双谱峰，分别为 0.14 Hz的主峰和

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0.10 Hz 的次峰；当浪向角为180°时，轴向张力处于峰谷。

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关键词：海底采矿车；脐带缆；深海布放回收；深海采矿；势流理论；轴向张力

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含月池和输运管的深海采矿船水动力特性研究

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钟华清1,2,3，张晶晶1,2，尤云祥1,2,3，冯爱春1,2,3

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（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海  200240；2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海  200240；3. 上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院，海南 三亚  572024）

摘要：深海采矿船是未来人类获取深海矿产资源的重要装备，研究其水动力特性具有重要意义。月池和输运管是影响深海采矿船水动力特性的重要因素。以世界上第一艘超深水采矿船“鹦鹉螺新纪元”号为研究对象，基于三维势流理论，分析月池尺寸、输运管长度及内径对采矿船水运动特性的影响。结果表明：月池开口会使采矿船垂荡、纵荡和纵摇运动出现共振峰，峰值随着开口尺寸的增加而增大，其中垂荡运动峰值可增加将近2倍；输运管的存在会明显改变采矿船横摇运动固有周期，增大垂荡运动峰值，降低横摇运动峰值，对横荡和纵荡运动的影响亦较大，当输运管长度为 5 000 m，内径为0.480 5 m时，横荡和纵荡响应峰值能够达到无输运管时的3倍以上。通过探究月池开孔和输运管不同参数对采矿船运动的影响，为深海采矿船月池和输运管设计提供一定的借鉴和参考。

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关键词：采矿船；输运管；月池；数值计算

深海采矿细颗粒羽状流数值模拟研究

刘港慧 1，2，刘 磊 1，2

（1. 上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院，海南 三亚   572024；2. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海   200240）

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摘要：深海采矿尾矿排放产生的细颗粒羽状流会对海底生态环境造成影响，预测尾矿排放羽状流行为及其对环境影响具有工程意义。基于欧拉多相流方法，采用欧拉双流体模型对深海采矿细颗粒羽状流开展数值模拟研究，分析近海底排放的羽状流演化和发展过程，探究羽状流初始排放质量浓度、排放速度对羽状流扩散过程的影响。结果表明：初始排放条件对羽状流演化性质有重要影响。主射流区被稀释的程度随着初始入射速度的增大而减小，随着入射质量浓度的增大而增大；初始羽状流入射速度和质量浓度越大，撞击海底后的水平方向流动速度越快，影响区域越广；水平速度的峰值随着初始入射速度的增大呈对数增长；当初始质量浓度和速度高于50 g/L和 0.5 m/s 时可能会导致颗粒在海底撞击点附近堆积成坡状，影响底流的后续发展。研究结果可以为深海采矿尾矿排放参数选择提供参考。

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关键词：深海采矿；细颗粒羽状流；数值模拟；多相流

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基于竖轴漩涡水动力特性的海底矿粒采集方法试验研究

刘孜涵1，2，赵国成1，2，肖龙飞1，2

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（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海  200240；2. 上海交通大学 海洋装备研究院，上海 200240）

摘要：随着新能源等新兴产业的高速发展，金属矿产资源需求激增，国内外争相发展深海采矿技术。基于竖轴漩涡的水动力特性，设计了一种带有4个切向射流喷嘴的吸盘式水力集矿装置，提出应用切向射流在集矿装置内诱导生成竖轴漩涡的新集矿方法。开展水力集矿模型试验，研究竖轴漩涡集矿流场流速分布特征；分析低、中、高3种旋流度流态下，集矿流量对矿粒运动轨迹和采集率的影响。结果表明：矿粒起动轨迹随着旋流度的增加，逐渐从混乱无序转向明显的圆周运动；在特定集矿流态下，矿粒采集率随集矿流量的增加不断提高；当矿粒采集率超过90%时，集矿流量需求随着旋流度的增加而减小。通过采矿车原理样机水池测试，初步验证了集矿装置的集矿性能，可为集矿装备的设计研发与论证提供借鉴。

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关键词：深海采矿；水力集矿；采集率；集矿流场；竖轴漩涡

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基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

章慧颖1, 2, 3，杨建民1, 2, 3，徐文豪1, 2, 3

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（1.上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院，海南 三亚  572024；2.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海  200240；3.上海交通大学 海洋装备研究院，上海  200240）

摘要：实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中，声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化，从而体现采矿车本身的运动，由此建立了一种声呐图像里程计，并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理，然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准，再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型，最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程，利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补，具有一定的有效性和精确性，该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。

关键词：深海采矿车；定位；声呐图像；扩展卡尔曼滤波器；海上试验

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基于康达效应的深海多金属结核采集装置参数匹配

杨  强1, 2，刘  珅1, 2，降星辰1, 2，刘广治3，夏建新1, 2

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(1. 中国地质大学(北京)  海洋学院，北京  100083；2. 中国地质大学(北京)  海洋矿产与极地地质教育部重点实验室，北京  100083；3. 北京探矿工程研究所，北京  100083)

摘要：随着陆地资源的日益短缺，深海矿产资源将成为人类未来社会经济可持续发展的重要保障。采集装置作为深海采矿系统的重要组成部分，不仅要解决采集率问题还要关注采矿活动造成的环境扰动。基于康达效应与CFD方法，获取采集装置不同运动状态下的流场数值模拟结果，精细划分流场内部结核各运动阶段的迁移状态，并使用射流角度与凸曲面壁半径控制变量，探讨采集装置参数对流场特征的影响，进而优化采集装置参数匹配。结果表明：1) 采集装置射流角度和凸曲面壁半径的增大，增加了流场均匀度，使得动能更集中于底部区，采集装置运动速度的增加会增强凸曲面壁下康达效应，当速度为0.5 m/s时，内部流场较为稳定；2) 采集装置射流角度、凸曲面壁半径与结核升力指数和曳力存在显著相关性，一定范围内，升力指数随着采集装置射流角度变大或凸曲面壁半径变小而升高；3) 分析对比结核运动阶段中迁移变化，当采集装置离底高度为80 mm，射流角度为45°，凸曲面壁半径为350 mm，采集装置运动速度为0.5 m/s时，结核能够精准进入吸入口。研究结果可为深海多金属结核采集装置的设计与研发提供重要参考。

关键词：多金属结核；康达效应；海底采矿；采集装置；参数匹配；运动特征

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来源：《海洋工程》

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