模拟深海采矿混响环境实验装置研究

工程科学学报，第39卷，第5期：655-662.2017年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.5:655-662,May 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.002;htp:/journals..usth.edu.cn 模拟深海采矿混响环境实验装置研究 郝 奇)，赵海鸣2)四，姬雅倩)，王艳丽) 1)中南大学机电工程学院，长沙4100832)中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083 区通信作者，E-mail:zhm0097@126.com 摘要针对真实深海采矿环境下实时微地形超声探测声信号获取难的问题，设计并建立了一套能模拟真实深海采矿混响 环境的超声探测实验系统.在对螺旋采掘头结构简化的基础上，利用Fluent模拟了螺旋采掘头与多组叶轮模型对水下流场 的影响，对二者所得的水下流场进行比较后，确定所选叶轮模型能较好地反映真实采矿环境.随后针对叶轮模型，实验测量 了泥沙垂向浓度分布，验证了设计模型的正确性.最后进行超声探测实验，结果表明，悬浮泥沙不仅对声波产生黏滞和吸收， 而且会产生严重的混响干扰，通过该超声探测系统的时间增益补偿，可有效抑制混响干扰，增加目标检测概率.本项研究为 深海采矿混啊环境下的超声微地形探测提供了研究基础。 关键词深海采矿：实验系统：模拟采矿环境：超声探测：钴结壳 分类号TB566 Experimental device for simulating reverberation environment in deep sea mining HAO Qi,ZHAO Hai-ming),JI Ya-qian'),WANG Yan-li) 1)College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China 2)State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:zhm0097@126.com ABSTRACT To solve the difficult problem of ultrasonic signal acquisition with respect to real-time tiny terrain detection in the deep- sea mining environment,an experimental ultrasonic detection system was designed and built that can simulate the real deep-sea mining reverberation environment.Using a simplified structure for the spiral mining head as a basis,Fluent software was used to simulate the impact of a spiral mining head and a multiple-impeller on the underwater flow field.A comparison of the results shows that the impeller model can realistically reflect the mining environment.Then,based on the impeller model,the vertical distribution of the sediment volume fractions is experimentally determined and the correctness of the design model is verified.Finally,an ultrasonic detection experiment is conducted and the results show that suspended sediment can generate viscosity and absorb sound waves,thereby causing serious reverberation interference.By implementing time-gain compensation in the ultrasonic detection system,the reverberation inter- ference can be effectively suppressed and the probability of target detection increases.The results of this study provide a basis for stud- ying ultrasonic microtopography detection in the deep sea mining reverberation environment. KEY WORDS deep-sea mining;experiment system;simulated mining environment;ultrasonic detection;cobalt crust 在深海富钴结壳的各种开采方案中，获取钴结壳 系统，并能有效的获取高精度(0.2mm)的地形高程值 微地形起伏信息，建立最佳采集深度数学模型，有效控 数据)]，但因其对测量环境的要求过高，无法满足实际 制基岩的混入率及提高采矿效率是其关键技术[山.项 工况的要求，项目组在对钴结壳特殊的赋存环境、开采 目组前期，利用机械接触方式建立了一套微地形探测 方法及技术要求等多方面的论证下，提出了一种摆动 收稿日期：2016-07-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374245)：中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015zts196)

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期:655鄄鄄662,2017 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 5: 655鄄鄄662, May 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 05. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 模拟深海采矿混响环境实验装置研究 郝 奇1) , 赵海鸣1,2) 苣 , 姬雅倩1) , 王艳丽1) 1) 中南大学机电工程学院, 长沙 410083 2) 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室, 长沙 410083 苣 通信作者, E鄄mail: zhm0097@ 126. com 摘 要 针对真实深海采矿环境下实时微地形超声探测声信号获取难的问题,设计并建立了一套能模拟真实深海采矿混响 环境的超声探测实验系统. 在对螺旋采掘头结构简化的基础上,利用 Fluent 模拟了螺旋采掘头与多组叶轮模型对水下流场 的影响,对二者所得的水下流场进行比较后,确定所选叶轮模型能较好地反映真实采矿环境. 随后针对叶轮模型,实验测量 了泥沙垂向浓度分布,验证了设计模型的正确性. 最后进行超声探测实验,结果表明,悬浮泥沙不仅对声波产生黏滞和吸收, 而且会产生严重的混响干扰,通过该超声探测系统的时间增益补偿,可有效抑制混响干扰,增加目标检测概率. 本项研究为 深海采矿混响环境下的超声微地形探测提供了研究基础. 关键词 深海采矿; 实验系统; 模拟采矿环境; 超声探测; 钴结壳 分类号 TB566 Experimental device for simulating reverberation environment in deep sea mining HAO Qi 1) , ZHAO Hai鄄ming 1,2) 苣 , JI Ya鄄qian 1) , WANG Yan鄄li 1) 1) College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 2) State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: zhm0097@ 126. com ABSTRACT To solve the difficult problem of ultrasonic signal acquisition with respect to real鄄time tiny terrain detection in the deep鄄 sea mining environment, an experimental ultrasonic detection system was designed and built that can simulate the real deep鄄sea mining reverberation environment. Using a simplified structure for the spiral mining head as a basis, Fluent software was used to simulate the impact of a spiral mining head and a multiple鄄impeller on the underwater flow field. A comparison of the results shows that the impeller model can realistically reflect the mining environment. Then, based on the impeller model, the vertical distribution of the sediment volume fractions is experimentally determined and the correctness of the design model is verified. Finally, an ultrasonic detection experiment is conducted and the results show that suspended sediment can generate viscosity and absorb sound waves, thereby causing serious reverberation interference. By implementing time鄄gain compensation in the ultrasonic detection system, the reverberation inter鄄 ference can be effectively suppressed and the probability of target detection increases. The results of this study provide a basis for stud鄄 ying ultrasonic microtopography detection in the deep sea mining reverberation environment. KEY WORDS deep鄄sea mining; experiment system; simulated mining environment; ultrasonic detection; cobalt crust 收稿日期: 2016鄄鄄07鄄鄄12 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51374245); 中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015zzts196) 在深海富钴结壳的各种开采方案中,获取钴结壳 微地形起伏信息,建立最佳采集深度数学模型,有效控 制基岩的混入率及提高采矿效率是其关键技术[1] . 项 目组前期,利用机械接触方式建立了一套微地形探测 系统,并能有效的获取高精度(0郾 2 mm)的地形高程值 数据[2] ,但因其对测量环境的要求过高,无法满足实际 工况的要求,项目组在对钴结壳特殊的赋存环境、开采 方法及技术要求等多方面的论证下,提出了一种摆动

·656· 工程科学学报，第39卷，第5期 式超声单波束探测方法[]，其在清洁水域中对各种模 试验和大量资料整理基础上指出螺旋滚简切削方式最 拟底质的实验测量结果（测量精度±1©m)表明，相对 为合适，其不仅比能耗较低，且易于控制.本课题组针 其他测量方式单波束超声探测具有更强的优势. 对功耗比、动力学特性等问题对螺旋滚筒切削方式进 在矿区，因采矿作业被激起的泥沙和矿石碎片将 行了综合研究[-)，给出了螺旋滚简的优化模型，参数 成为一种无规则散射介质，而采掘头附近的水下流场 如表1所示. 直接影响到海水中悬浮泥沙及矿石颗粒的分布，而由 表1螺旋采掘头结构参数 这些悬浮泥沙及矿石颗粒对声波产生的黏滞和吸收及 Table 1 Mining head structural parameters 形成的体积混响干扰将严重影响超声测控系统对目标 参数名称 优化值 回波的检测.文献[3]中建立的模拟探测系统，对混浊 螺旋滚筒数目 6 海水中悬浮泥沙颗粒对探测性能的影响并未涉及.而 螺旋滚筒直径/m 0.4 文献[4-6]采用人工抛洒泥沙的方式，对混浊海水下 螺旋滚简宽度/m 0.64 的超声探测进行了模拟，但因实验条件有限，没有考虑 截齿配置方式 棋盘式 螺旋头数 2或3 采掘头对悬浮泥沙分布状态的影响.另外，人工抛洒 平均截距/m 0.04-0.05 泥沙方式中，泥沙是从水面往下沉降，而真实的采矿条 螺旋升角/（°） 23.92 件下，沉积在海底的泥沙是因采掘头的搅动而进入海 转速/(r·minl) 20-60 水中，显然两者误差较大.然而整套采、集矿装备仍处 平均牵引速度/(ms1) 0.085-0.285 于研发阶段，采掘系统结构复杂且尺寸较大，实际工作 环境中超声信号的获取需要付出高昂的代价.因此， 1.1 实验台的建立 需要设计一套能模拟真实深海采矿超声探测环境的实 因采掘系统结构复杂且尺寸较大，将整个采掘系 验系统，以对采矿环境下的超声探测展开更深入的 统移入水下进行模拟钴结壳采掘实验需要付出高昂的 研究. 代价，因此，在实验条件下，需要建立一套能真实模拟 本文拟从采矿区的水下流场出发，对比分析真实 采矿环境的实验系统，为其后的超声信号检测及信号 螺旋采掘头与多组模拟用叶轮的水下流场，确定能较 特征提取提供实验基础. 真实模拟采矿环境的简化叶轮模型：结合水下工况特 实验系统如图2所示，实验水池长、宽、高为： 点，通过所选用的叶轮模型进行实验，测量泥沙分布情 5m×3m×1.8m.用一组距水池底面高度为0.3m的 况，验证仿真模型的正确性：基于该超声探测实验装 直叶片叶轮来近似模拟螺旋采掘头，用减速电机通过 置，在模拟采矿环境下进行超声探测实验，验证该探测 链传动带动叶轮旋转，用以搅动水池底部的泥沙和矿 系统的可行性并研究采矿混响环境对超声探测信号的 石小碎片 影响. 在实验中，为实现对池底不同位置点的高程值数 据探测，超声换能器能在小车和移动平台的带动下做 1模拟采矿环境探测实验台 纵向和横向移动：同时，为研究换能器合理的安装位 如图1所示，深海采矿中，置于矿车前端的超声测 置，通过手动调节，换能器距离叶轮中心轴的水平距离 控系统根据其检测到的数据，建立最佳采集深度模型， 可以在0.5~2.0m的范围内调节，距离水池底部的距 对矿车采掘头的工作参数进行实时修正，而经采掘头 离可以在0.5~1.8m的范围内调节.同时为减少池壁 剥落的矿石进入矿车后部的集矿机，由集矿机完成对 和支架对超声信号的影响，水池壁和支架表面需铺设 矿石的二次破碎及沉积物去除处理后，经扬矿系统输 一层吸声材料，并且探头应在水池中心区域移动 送至海面的补给船.1985年，Halkyard)及其公司在 1.2超声探测系统 超声测控系统 探测系统以单波束超声探头为核心，结合探测电 车架 路与数据采集系统，以完成微地形的探测.系统通过 工控机与所设计的数据采集软件，由串口通信向单片 机发送数据采集指令，单片机收到指令后，启动超声探 ~进给油缸 测电路并同时触发高速数据采集卡(PCI-1714),此时 数据采集卡将接收由超声探测电路传回的探测信号， 支撑大臂 螺旋采据头 并将其转化为数字量，存储在工控机中.其中超声探 钻结壳矿区 测电路由功率匹配电路、信号收发电路、整形放大滤波 图1采掘工作示意图 电路、时间增益补偿电路等组成.探测系统结构框图 Fig.1 Schematic diagram of mining operations 如图3所示

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 式超声单波束探测方法[3] ,其在清洁水域中对各种模 拟底质的实验测量结果(测量精度 依 1 cm)表明,相对 其他测量方式单波束超声探测具有更强的优势. 在矿区,因采矿作业被激起的泥沙和矿石碎片将 成为一种无规则散射介质,而采掘头附近的水下流场 直接影响到海水中悬浮泥沙及矿石颗粒的分布,而由 这些悬浮泥沙及矿石颗粒对声波产生的黏滞和吸收及 形成的体积混响干扰将严重影响超声测控系统对目标 回波的检测. 文献[3]中建立的模拟探测系统,对混浊 海水中悬浮泥沙颗粒对探测性能的影响并未涉及. 而 文献[4鄄鄄6]采用人工抛洒泥沙的方式,对混浊海水下 的超声探测进行了模拟,但因实验条件有限,没有考虑 采掘头对悬浮泥沙分布状态的影响. 另外,人工抛洒 泥沙方式中,泥沙是从水面往下沉降,而真实的采矿条 件下,沉积在海底的泥沙是因采掘头的搅动而进入海 水中,显然两者误差较大. 然而整套采、集矿装备仍处 于研发阶段,采掘系统结构复杂且尺寸较大,实际工作 环境中超声信号的获取需要付出高昂的代价. 因此, 需要设计一套能模拟真实深海采矿超声探测环境的实 验系统,以对采矿环境下的超声探测展开更深入的 研究. 本文拟从采矿区的水下流场出发,对比分析真实 螺旋采掘头与多组模拟用叶轮的水下流场,确定能较 真实模拟采矿环境的简化叶轮模型;结合水下工况特 点,通过所选用的叶轮模型进行实验,测量泥沙分布情 况,验证仿真模型的正确性;基于该超声探测实验装 置,在模拟采矿环境下进行超声探测实验,验证该探测 系统的可行性并研究采矿混响环境对超声探测信号的 影响. 图 1 采掘工作示意图 Fig. 1 Schematic diagram of mining operations 1 模拟采矿环境探测实验台 如图 1 所示,深海采矿中,置于矿车前端的超声测 控系统根据其检测到的数据,建立最佳采集深度模型, 对矿车采掘头的工作参数进行实时修正,而经采掘头 剥落的矿石进入矿车后部的集矿机,由集矿机完成对 矿石的二次破碎及沉积物去除处理后,经扬矿系统输 送至海面的补给船. 1985 年,Halkyard [7] 及其公司在 试验和大量资料整理基础上指出螺旋滚筒切削方式最 为合适,其不仅比能耗较低,且易于控制. 本课题组针 对功耗比、动力学特性等问题对螺旋滚筒切削方式进 行了综合研究[8鄄鄄12] ,给出了螺旋滚筒的优化模型,参数 如表 1 所示. 表 1 螺旋采掘头结构参数 Table 1 Mining head structural parameters 参数名称 优化值 螺旋滚筒数目 6 螺旋滚筒直径/ m 0郾 4 螺旋滚筒宽度/ m 0郾 64 截齿配置方式 棋盘式 螺旋头数 2 或 3 平均截距/ m 0郾 04 ~ 0郾 05 螺旋升角/ (毅) 23郾 92 转速/ (r·min - 1 ) 20 ~ 60 平均牵引速度/ (m·s - 1 ) 0郾 085 ~ 0郾 285 1郾 1 实验台的建立 因采掘系统结构复杂且尺寸较大,将整个采掘系 统移入水下进行模拟钴结壳采掘实验需要付出高昂的 代价,因此,在实验条件下,需要建立一套能真实模拟 采矿环境的实验系统,为其后的超声信号检测及信号 特征提取提供实验基础. 实验系统如图 2 所示,实验水池长、 宽、 高 为: 5 m 伊 3 m 伊 1郾 8 m. 用一组距水池底面高度为 0郾 3 m 的 直叶片叶轮来近似模拟螺旋采掘头,用减速电机通过 链传动带动叶轮旋转,用以搅动水池底部的泥沙和矿 石小碎片. 在实验中,为实现对池底不同位置点的高程值数 据探测,超声换能器能在小车和移动平台的带动下做 纵向和横向移动;同时,为研究换能器合理的安装位 置,通过手动调节,换能器距离叶轮中心轴的水平距离 可以在 0郾 5 ~ 2郾 0 m 的范围内调节,距离水池底部的距 离可以在 0郾 5 ~ 1郾 8 m 的范围内调节. 同时为减少池壁 和支架对超声信号的影响,水池壁和支架表面需铺设 一层吸声材料,并且探头应在水池中心区域移动. 1郾 2 超声探测系统 探测系统以单波束超声探头为核心,结合探测电 路与数据采集系统,以完成微地形的探测. 系统通过 工控机与所设计的数据采集软件,由串口通信向单片 机发送数据采集指令,单片机收到指令后,启动超声探 测电路并同时触发高速数据采集卡(PCI鄄鄄1714),此时 数据采集卡将接收由超声探测电路传回的探测信号, 并将其转化为数字量,存储在工控机中. 其中超声探 测电路由功率匹配电路、信号收发电路、整形放大滤波 电路、时间增益补偿电路等组成. 探测系统结构框图 如图 3 所示. ·656·

郝奇等：模拟深海采矿混响环境实验装置研究 ·657· 换能器 实验车 水面 底质 水池 前后移动 沉积物 图2探测实验装置结构示意图.(a)前视图：(b)侧视图 Fig.2 Schematic diagram of experimental system:(a)front view;(b)side view 在超声波微地形测量中，当发射换能器刚发出声 质平均粒径大小按照深海沉积物平均粒径取值为 脉冲后真正的回波并没有返回，而此时的混响却很强， 3.39um【).图5、图6给出了Fluent中采据头转速为 为抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响 50 r.min时的中垂面速度云图、体积分数分布图. 干扰，根据混响衰减规律，在信号处理电路中加设时间 增益补偿(time gain compensation,TGC).在信号发射 完成后将系统增益设置为最小，随时间逐渐将系统增 益增加，直到最大 阻抗 功率 信号 匹配 放大 发生 超声换能器 mnminmnmpnmm 收转 图4采据头结构图 放大 增益 整形 PCI- Fig.4 Structural diagram of the mining head 滤波 控制 电路 1714 速度ms》 0040 图3探测实验系统结构框图 846 Fig.3 Structural block diagram of the experimental detection system 2螺旋采掘头与叶轮两相流流场仿真分析 0i88 0.094 为验证实验系统所采用的模拟叶轮能否替代实际 的螺旋采掘头，利用流体仿真软件Fluent对两者转动 图5采掘头中垂面泥沙速度云图 Fig.5 Sediment velocity vector distribution for mining head 时的水下流场进行两相流仿真. 2.1螺旋采掘头两相流流场仿真 体积分数 0.074 根据表l采掘头的实际参数设计Fluent仿真模 0.06 0.2m ÷0.8m 型，因实际滚筒简及截齿形状较复杂，为简化系统模型， 取螺旋滚筒直径为0.4m,长度为1.8m,用直径为 0.03m,长度为0.07m的小圆柱体来模拟滚筒上的截 .007 齿，结构如图4所示.采用Gambit软件划分网格，网格 类型为混合网格，整体扭曲度小于0.8，采用标准k-e 图6采掘头中垂面泥沙体积分数分布图 Fig.6 Sediment volume fraction distribution for mining head 湍流模型对液体相进行模拟，采用欧拉多相流模型对 水池内部液固两相流流动进行三维湍流数值分析.采 从图5可看出，采掘头对附近流场影响较小，只在 掘头距模拟矿区地面高度为0.32m,采掘头下方铺有 截齿处出现极小的高速区.从图6可看出，采掘头前 底质，因实际采掘头的切削深度小于等于0.05m,取截 方0.2~0.8m处泥沙受采掘头影响较大，泥沙随着水 齿切削深度为0.04m,因此铺设底质厚度为0.09m,底 流一起运动，而大于0.8m处泥沙分布受水流影响较

郝 奇等: 模拟深海采矿混响环境实验装置研究 图 2 探测实验装置结构示意图 郾 (a) 前视图; (b)侧视图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental system: (a) front view; (b) side view 在超声波微地形测量中,当发射换能器刚发出声 脉冲后真正的回波并没有返回,而此时的混响却很强, 为抑制发射信号结束后一段时间内接收信号中的混响 干扰,根据混响衰减规律,在信号处理电路中加设时间 增益补偿( time gain compensation,TGC). 在信号发射 完成后将系统增益设置为最小,随时间逐渐将系统增 益增加,直到最大. 图 3 探测实验系统结构框图 Fig. 3 Structural block diagram of the experimental detection system 2 螺旋采掘头与叶轮两相流流场仿真分析 为验证实验系统所采用的模拟叶轮能否替代实际 的螺旋采掘头,利用流体仿真软件 Fluent 对两者转动 时的水下流场进行两相流仿真. 2郾 1 螺旋采掘头两相流流场仿真 根据表 1 采掘头的实际参数设计 Fluent 仿真模 型,因实际滚筒及截齿形状较复杂,为简化系统模型, 取螺旋滚筒直径为 0郾 4 m,长度为 1郾 8 m,用直径为 0郾 03 m,长度为 0郾 07 m 的小圆柱体来模拟滚筒上的截 齿,结构如图 4 所示. 采用 Gambit 软件划分网格,网格 类型为混合网格,整体扭曲度小于 0郾 8,采用标准 k鄄鄄e 湍流模型对液体相进行模拟,采用欧拉多相流模型对 水池内部液固两相流流动进行三维湍流数值分析. 采 掘头距模拟矿区地面高度为 0郾 32 m,采掘头下方铺有 底质,因实际采掘头的切削深度小于等于 0郾 05 m,取截 齿切削深度为 0郾 04 m,因此铺设底质厚度为 0郾 09 m,底 质平均粒径大小按照深海沉积物平均粒径取值为 3郾 39 滋m [13] . 图 5、图 6 给出了 Fluent 中采掘头转速为 50 r·min - 1时的中垂面速度云图、体积分数分布图. 图 4 采掘头结构图 Fig. 4 Structural diagram of the mining head 图 5 采掘头中垂面泥沙速度云图 Fig. 5 Sediment velocity vector distribution for mining head 图 6 采掘头中垂面泥沙体积分数分布图 Fig. 6 Sediment volume fraction distribution for mining head 从图 5 可看出,采掘头对附近流场影响较小,只在 截齿处出现极小的高速区. 从图 6 可看出,采掘头前 方 0郾 2 ~ 0郾 8 m 处泥沙受采掘头影响较大,泥沙随着水 流一起运动,而大于 0郾 8 m 处泥沙分布受水流影响较 ·657·

·658· 工程科学学报，第39卷，第5期 小，垂向呈均匀的梯度分布，对于超声检测，可将超声 探头布置在适当远的距离以减小高速区卷起的较大泥 沙颗粒对超声信号的影响.需要注意的是，因采掘头 的搅动及采矿车的移动，对矿区流场造成的影响将十 分复杂，大量微小颗粒泥沙将悬浮于海水中，因扩散作 用充满于整个采矿区，而由这些悬浮颗粒而产生的散 射吸收及黏滞吸收将成为超声信号的主要干扰 2.2模拟叶轮两相流流场仿真 因采掘头尺寸较大，十分笨重，如果采用实际采掘 头进行水下实验，将会增加整个实验系统的结构尺寸， 增加实验难度.因此在实验条件下，本文拟用简单的 直叶轮代替真实的采掘头.为验证其可行性，将对设 计的几种简化模型进行Fluent模拟仿真，并与采掘头 图8叶轮结构图 流场进行对比，找到最为接近的模型. Fig.8 Structural diagram of impeller 在进行叶轮结构参数设计时，为减小切削载荷，应 使同一螺旋线上同时进入切削状态的叶片数尽可能 实验水池宽为3m,为避免水池侧壁对信号的影 少，当每条螺旋线只有1个叶片切削，此时有可能出现 响，探头应在水池中心区域移动，并且为减小切削载 前一个叶片已退出切削，而后一个叶片还没有进入切 荷，叶轮个数应尽量少.当每条螺旋线上有2个叶片 削区域，造成切削过程中力、力矩出现较大的波动，运 进入切削状态，取叶轮个数为8个时，总共有4个截齿 动出现不连续，因此选取同一个螺旋线上同时有2个 处于切削区域. 叶片进入切削.图7、图8分别为切削齿数判别图及叶 为了找到叶轮最佳结构参数，本文将叶片上下边 轮结构图 缘宽度及叶轮间距设为变量，对不同变量组合进行 Fluent仿真，并与采掘头方式下的仿真结果进行对比， 得到最为接近的叶轮模型.图8中叶轮结构参数如表 2所示. 表2叶轮结构参数 Table 2 Structural parameters of impeller 参数名称 值 叶轮数 8 叶片数 3 叶片下边缘宽度/m X1=0.8,X2=0.5,X3=0.3 叶片上边缘宽度/m Y1=0.5,Y2=0.3 相邻两叶轮转角/() 30 叶轮直径/m 0.54 图7切削齿数判别图 叶轮间距离/m D1=0.1,D2=0.15.D3=0.2 Fig.7 Discriminant graph of cutting teeth number 叶轮转速/（m·s1) 50 图7中，H、R、α分别代表切削深度、叶轮半径、两 所设计的模型组合有：X1Y1D1,X1Y1D2, 相邻叶轮之间的转角，图8中，D、X、Y分别代表叶轮间 X1Y1D3,X2Y1DI,X2Y1D2,X2Y1D3,X2Y2D1, 距离、叶片下边缘、上边缘宽度.图7中的坐标系为图 X2Y2D2,X2Y2D3,共9种. 2中所建立坐标系的x一z平面. 根据实验室水池的真实环境建立Fluent仿真模 假设海底微地形为平面的特殊情况，同时进人切 型，对各个模型进行两相流仿真，Fluent参数设置与采 削区域的叶片数可以通过比较其坐标值、切削深度和 掘头模型相同.以模型X1Y1D1为例，对叶轮模型中 叶片的相对位置进行判别.从图7中可以看出，当同 垂面速度云图和体积分数分布图进行分析，如图9、图 一螺旋线上同时有2个叶片进人切削时，切削深度为： 10所示. H=R(1-cosa). 从图9可以看出，叶轮与采掘头的速度云图相似， 当H=0.04m,R=0.27m时，求得a=31.6°，为简 均对附近流场影响较小，只在叶轮最外端出现极小的 化设计模型，取=30°. 高速区.对比图10叶轮体积分数分布图与图6采掘

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 小,垂向呈均匀的梯度分布,对于超声检测,可将超声 探头布置在适当远的距离以减小高速区卷起的较大泥 沙颗粒对超声信号的影响. 需要注意的是,因采掘头 的搅动及采矿车的移动,对矿区流场造成的影响将十 分复杂,大量微小颗粒泥沙将悬浮于海水中,因扩散作 用充满于整个采矿区,而由这些悬浮颗粒而产生的散 射吸收及黏滞吸收将成为超声信号的主要干扰. 2郾 2 模拟叶轮两相流流场仿真 因采掘头尺寸较大,十分笨重,如果采用实际采掘 头进行水下实验,将会增加整个实验系统的结构尺寸, 增加实验难度. 因此在实验条件下,本文拟用简单的 直叶轮代替真实的采掘头. 为验证其可行性,将对设 计的几种简化模型进行 Fluent 模拟仿真,并与采掘头 流场进行对比,找到最为接近的模型. 在进行叶轮结构参数设计时,为减小切削载荷,应 使同一螺旋线上同时进入切削状态的叶片数尽可能 少,当每条螺旋线只有 1 个叶片切削,此时有可能出现 前一个叶片已退出切削,而后一个叶片还没有进入切 削区域,造成切削过程中力、力矩出现较大的波动,运 动出现不连续,因此选取同一个螺旋线上同时有 2 个 叶片进入切削. 图 7、图 8 分别为切削齿数判别图及叶 轮结构图. 图 7 切削齿数判别图 Fig. 7 Discriminant graph of cutting teeth number 图 7 中,H、R、琢 分别代表切削深度、叶轮半径、两 相邻叶轮之间的转角,图 8 中,D、X、Y 分别代表叶轮间 距离、叶片下边缘、上边缘宽度. 图 7 中的坐标系为图 2 中所建立坐标系的 x鄄鄄z 平面. 假设海底微地形为平面的特殊情况,同时进入切 削区域的叶片数可以通过比较其坐标值、切削深度和 叶片的相对位置进行判别. 从图 7 中可以看出,当同 一螺旋线上同时有 2 个叶片进入切削时,切削深度为: H = R(1 - cos琢). 当 H = 0郾 04 m,R = 0郾 27 m 时,求得 琢 = 31郾 6毅,为简 化设计模型,取 琢 = 30毅. 图 8 叶轮结构图 Fig. 8 Structural diagram of impeller 实验水池宽为 3 m,为避免水池侧壁对信号的影 响,探头应在水池中心区域移动,并且为减小切削载 荷,叶轮个数应尽量少. 当每条螺旋线上有 2 个叶片 进入切削状态,取叶轮个数为 8 个时,总共有 4 个截齿 处于切削区域. 为了找到叶轮最佳结构参数,本文将叶片上下边 缘宽度及叶轮间距设为变量,对不同变量组合进行 Fluent 仿真,并与采掘头方式下的仿真结果进行对比, 得到最为接近的叶轮模型. 图 8 中叶轮结构参数如表 2 所示. 表 2 叶轮结构参数 Table 2 Structural parameters of impeller 参数名称 值 叶轮数 8 叶片数 3 叶片下边缘宽度/ m X1 = 0郾 8,X2 = 0郾 5,X3 = 0郾 3 叶片上边缘宽度/ m Y1 = 0郾 5,Y2 = 0郾 3 相邻两叶轮转角/ (毅) 30 叶轮直径/ m 0郾 54 叶轮间距离/ m D1 = 0郾 1,D2 = 0郾 15,D3 = 0郾 2 叶轮转速/ (m·s - 1 ) 50 所 设 计 的 模 型 组 合 有: X1Y1D1, X1Y1D2, X1Y1D3, X2Y1D1, X2Y1D2, X2Y1D3, X2Y2D1, X2Y2D2,X2Y2D3,共 9 种. 根据实验室水池的真实环境建立 Fluent 仿真模 型,对各个模型进行两相流仿真,Fluent 参数设置与采 掘头模型相同. 以模型 X1Y1D1 为例,对叶轮模型中 垂面速度云图和体积分数分布图进行分析,如图 9、图 10 所示. 从图 9 可以看出,叶轮与采掘头的速度云图相似, 均对附近流场影响较小,只在叶轮最外端出现极小的 高速区. 对比图 10 叶轮体积分数分布图与图 6 采掘 ·658·

郝奇等：模拟深海采矿混响环境实验装置研究 ·659· 速度/m·s) 0.08 1089 -x=0.5m 0.891 *…x=1.0m 0.06 ---=1.5m 545 0.04 图9叶轮中垂面泥沙速度云图 0.02 池底叶轮位置 Fig.9 Sediment velocity vector distribution for impeller 体积分数 0.5 0.5 1.0 1.5 垂直高度m 0.067 0.569 0.052 图12叶轮方式下不同高度体积分数 0.2m← 0.044 →0.8m 0.037 Fig.12 Volume fractions at different heights by impeller 0.030 0.022 0.0i5 的体积分数曲线与采掘头体积分数曲线最为接近，但 .007 在垂直高度0.8~1.2m,采掘头模型比X1Y1D1模型 图10叶轮中垂面泥沙体积分数分布图 体积分数高，图13(b)中，在垂直高度1m的位置采掘 Fig.10 Sediment's volume fraction distribution for impeller 头模型与X1Y1D1模型的绝对误差为2%，因此，在进 行超声波探测时，可将探头布置在距离叶轮高度0.8m 头体积分数分布图，可以看出同样在叶轮前方0.2~ 以下的位置. 0.8m处泥沙受水流影响较大，泥沙随着水流一起运 为比较各个模型与采掘头浓度曲线的相似程度， 动，大于0.8m处泥沙同样呈较均匀的梯度分布. 对各模型的误差平方和进行比较，表3给出各模型体 为了比较采掘头和叶轮方式下泥沙浓度分布情 积分数在x=0.5mx=1.0m、x=1.5m处与采掘头体 况，分别选取采掘头和叶轮中心轴前方(y=0m)x= 积分数差的平方和 0.5m、x=1m、x=1.5m三个位置的垂向体积分数进 行比较，如图11和图12所示（图12采用的模型是 表3叶轮模型与采掘头方式下体积分数差的平方和 XIYIDI). Table 3 Sum of squares of difference in volume fraction between impel- ler and mining hob 0.07 x=0.5m 体积分数差的平方和 0.06 x=1.0m 模型 ---…x=l.5m x=0.5m x=1.0m x=1.5m 0.05 XIYIDI 0.0059 0.0085 0.0090 0.04 XIYID2 0.0163 0.0164 0.0148 XIYID3 0.0281 0.0195 0.0208 0.02 X2Y1DI 0.0100 0.0095 0.0090 池底采掘头位置 X2Y1D2 0.0177 0.0164 0.0174 0.01 X2Y1D3 0.0256 0.0195 0.0205 %5 05 1.0 1.5 X2Y2D1 0.0106 0.0090 0.0093 垂直高度m X2Y2D2 0.0191 0.0183 0.0178 图11采掘头方式下不同高度体积分数 X2Y2D3 0.0223 0.0190 0.0204 Fig.11 Volume fractions at different heights by mining head 从表3中可以看出，模型X1Y1D1与采掘头体积 现将各个模型分别在x=0.5m、x=1m、x=1.5m 分数差的平方和在0.5、1.0和1.5m处均为最小，因 处的垂向体积分数与采掘头进行对比，以模型 此，综合考虑螺旋采掘头方式下和叶轮方式下的速度 X1Y1D1,X1Y1D2,X1Y1D3为例，图13分别给出叶轮 云图和体积分数分布图，叶轮模型X1Y1D1与采掘头 模型X1Y1D1,X1Y1D2,X1Y1D3与采掘头模型在其中 方式下的速度场与浓度场较为相似，体积分数最大的 心轴前方x=0.5m、x=1m、x=1.5m处垂向体积分数 绝对误差为2%，且可以通过降低探头高度避免，因此 分布对比图 可选用模型X1Y1D1来模拟真实的水下采矿环境. 从图13中可以看出，对于同样尺寸的叶轮，随着 3采矿区环境模拟 叶轮间距增大，即D增大，体积分数曲线向下移动，体 积分数变低，与X1Y1D2、X1Y1D3相比，模型X1Y1D1 从前期大洋勘查结果来看，富钴结壳位于海底

郝 奇等: 模拟深海采矿混响环境实验装置研究 图 9 叶轮中垂面泥沙速度云图 Fig. 9 Sediment velocity vector distribution for impeller 图 10 叶轮中垂面泥沙体积分数分布图 Fig. 10 Sediment爷s volume fraction distribution for impeller 头体积分数分布图,可以看出同样在叶轮前方 0郾 2 ~ 0郾 8 m 处泥沙受水流影响较大,泥沙随着水流一起运 动,大于 0郾 8 m 处泥沙同样呈较均匀的梯度分布. 为了比较采掘头和叶轮方式下泥沙浓度分布情 况,分别选取采掘头和叶轮中心轴前方( y = 0 m) x = 0郾 5 m、x = 1 m、x = 1郾 5 m 三个位置的垂向体积分数进 行比较,如图 11 和图 12 所示(图 12 采用的模型是 X1Y1D1). 图 11 采掘头方式下不同高度体积分数 Fig. 11 Volume fractions at different heights by mining head 现将各个模型分别在 x = 0郾 5 m、x = 1 m、x = 1郾 5 m 处 的 垂 向 体 积 分 数 与 采 掘 头 进 行 对 比, 以 模 型 X1Y1D1,X1Y1D2,X1Y1D3 为例,图 13 分别给出叶轮 模型 X1Y1D1,X1Y1D2,X1Y1D3 与采掘头模型在其中 心轴前方 x = 0郾 5 m、x = 1 m、x = 1郾 5 m 处垂向体积分数 分布对比图. 从图 13 中可以看出,对于同样尺寸的叶轮,随着 叶轮间距增大,即 D 增大,体积分数曲线向下移动,体 积分数变低,与 X1Y1D2、X1Y1D3 相比,模型 X1Y1D1 图 12 叶轮方式下不同高度体积分数 Fig. 12 Volume fractions at different heights by impeller 的体积分数曲线与采掘头体积分数曲线最为接近,但 在垂直高度 0郾 8 ~ 1郾 2 m,采掘头模型比 X1Y1D1 模型 体积分数高,图 13(b)中,在垂直高度 1 m 的位置采掘 头模型与 X1Y1D1 模型的绝对误差为 2% ,因此,在进 行超声波探测时,可将探头布置在距离叶轮高度 0郾 8 m 以下的位置. 为比较各个模型与采掘头浓度曲线的相似程度, 对各模型的误差平方和进行比较,表 3 给出各模型体 积分数在 x = 0郾 5 m、x = 1郾 0 m、x = 1郾 5 m 处与采掘头体 积分数差的平方和. 表 3 叶轮模型与采掘头方式下体积分数差的平方和 Table 3 Sum of squares of difference in volume fraction between impel鄄 ler and mining hob 模型 体积分数差的平方和 x = 0郾 5 m x = 1郾 0 m x = 1郾 5 m X1Y1D1 0郾 0059 0郾 0085 0郾 0090 X1Y1D2 0郾 0163 0郾 0164 0郾 0148 X1Y1D3 0郾 0281 0郾 0195 0郾 0208 X2Y1D1 0郾 0100 0郾 0095 0郾 0090 X2Y1D2 0郾 0177 0郾 0164 0郾 0174 X2Y1D3 0郾 0256 0郾 0195 0郾 0205 X2Y2D1 0郾 0106 0郾 0090 0郾 0093 X2Y2D2 0郾 0191 0郾 0183 0郾 0178 X2Y2D3 0郾 0223 0郾 0190 0郾 0204 从表 3 中可以看出,模型 X1Y1D1 与采掘头体积 分数差的平方和在 0郾 5、1郾 0 和 1郾 5 m 处均为最小,因 此,综合考虑螺旋采掘头方式下和叶轮方式下的速度 云图和体积分数分布图,叶轮模型 X1Y1D1 与采掘头 方式下的速度场与浓度场较为相似,体积分数最大的 绝对误差为 2% ,且可以通过降低探头高度避免,因此 可选用模型 X1Y1D1 来模拟真实的水下采矿环境. 3 采矿区环境模拟 从前期大洋勘查结果来看,富钴结壳位于海底 ·659·

·660· 工程科学学报，第39卷，第5期 0.08 a 一采掘头 008 采掘头 ----XIYIDI =--.X1Y1D1 0.06 …X1Y1D2 0.06 …X1Y1D2 -----XIYID3 --…X1Y1D3 敏 0.04 0.04 0.02 池底叶轮位置 0.02 池底叶轮位置 %5 0.5 1.0 15 5 0 0.5 1.0 1.5 垂直高度/m 垂直高度m 0.08 (c) 采橱头 ----XIYIDI 0.06 …X1Y1D2 ---X1Y1D3 0.02 池底叶轮位置 0 0.5 1.0 1.5 垂直高度m 图13叶轮与采掘头前方不同位置垂向体积分数分布对比.(a)x=0.5m:(b)x=1.0m:(c)x=1.5m Fig.13 Comparison of vertical sediment volume fractions for impeller and mining head:(a)x=0.5 m;(b)x =1.0 m;(c)x=1.5 m 800~4000m,包括洋中脊、海山和海盆等地质单元，海 浮于水中的细小泥沙颗粒形成的体积混响将是主要干 底底质类型为基岩、砂和泥[4，并且，各矿区钴结壳分 扰源，而对于较大颗粒碎片干扰产生的异常值，则可在 布不尽相同，Yamazaki和Sharma研究发现钴结壳及其 后期的数据处理中对其进行别除，因此在实验系统中 类型的分布与矿床坡角大小密切相关]，矿床坡角 主要对悬浮于水中的细小泥沙颗粒形成的体积混响干 0°~3°时，矿区以钴结核为主，3°~7°时，一般为沉积 扰进行研究.因此可选取Fk沉积物分类方法中的泥 物覆盖下的钴结核，7°~15°时，为结核与结壳的过渡 质砂（其中泥、砂的质量比为：30%，70%）作为制作样 区，结壳所占比例随坡度增大而增大，超过15°时，以 本，以模拟沉积物对超声信号的影响.实验室内用的 钴结壳为主，当矿区倾斜角度大于45°时，结壳变得很 模拟沉积物采用细河沙与黄土以7：3的比例混合而 薄，甚至仅为铁锰氧化物薄膜 成.而堆积河沙的密度为p,=1450kg·m3,堆积黄土 根据钴结壳及其类型的分布情况，水下采矿环境 的密度P2=1600kg·m3,按配比计算得混合物的密度 可分为三类：(a)采掘头未切削矿石，只激起海底沉积 为p.=1495kgm3 物：(b)采掘头采掘突出的钴结核，产生矿石小碎片： 实验中，利用项目组研究的螺旋式钴结壳破碎实 (c)采掘头切削沉积物覆盖下的矿石，在产生矿石碎 验台破碎模拟料)产生的碎片与模拟沉积物（泥质 片的同时也激起大量沉积物.本文选取最为典型的 砂)均匀混合并铺设在池底，以模拟采掘区叶轮下方 (©)类底质作为采掘区底质，利用超声测深系统分别 的底质，所用模拟料是根据钴结壳及基岩物理力学性 对泥沙沉积物、裸露钴结壳或基岩两种底质进行探测. 能制备而成.然后制备待开采区底质，将得到模拟沉 在沉积学界，海底沉积物按照沉积物粒径大小一 积物平铺于池底，形成沉积物底质面：将实验室的钴结 般被粗分为：泥、砂、粉砂、砾四种基本类型.进一步， 壳，放置在水池底部，模拟裸露钴结壳底质. 考虑到海底沉积物底质主要由不同比例成分的泥、砂 启动叶轮组，设定转速为50rmin,运转稳定后 和砾石混合而成，研究者根据泥、砂和砾石的不同比例 用1L水体取样杯分别在叶轮前方x=0.5m、x= 组成提出了一些沉积物分类方法.其中，k沉积物 1.0m、x=1.5m处对距叶轮中心轴水平高度-0.2、 分类方法是目前被广泛使用的一种沉积物分类方法. 0.10.40.7、1.0和1.2m位置的水体进行取样，每个 依据Fk沉积物分类方法，可将海底沉积物分为14 取样点取样三次，并用过滤称重法求得每个取样点的 个大类 平均泥沙体积分数，如图14所示 对于超声微地形探测系统而言，因采矿作业而悬 将实测数据与仿真数据进行对比分析，运用公式：

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 图 13 叶轮与采掘头前方不同位置垂向体积分数分布对比. (a) x = 0郾 5 m;(b) x = 1郾 0 m;(c) x = 1郾 5 m Fig. 13 Comparison of vertical sediment volume fractions for impeller and mining head: (a) x = 0郾 5 m; (b) x = 1郾 0 m; (c) x = 1郾 5 m 800 ~ 4000 m,包括洋中脊、海山和海盆等地质单元,海 底底质类型为基岩、砂和泥[14] ,并且,各矿区钴结壳分 布不尽相同,Yamazaki 和 Sharma 研究发现钴结壳及其 类型的分布与矿床坡角大小密切相关[15] ,矿床坡角 0毅 ~ 3毅时,矿区以钴结核为主,3毅 ~ 7毅时,一般为沉积 物覆盖下的钴结核,7毅 ~ 15毅时,为结核与结壳的过渡 区,结壳所占比例随坡度增大而增大,超过 15毅时,以 钴结壳为主,当矿区倾斜角度大于 45毅时,结壳变得很 薄,甚至仅为铁锰氧化物薄膜. 根据钴结壳及其类型的分布情况,水下采矿环境 可分为三类:(a)采掘头未切削矿石,只激起海底沉积 物;(b)采掘头采掘突出的钴结核,产生矿石小碎片; (c)采掘头切削沉积物覆盖下的矿石,在产生矿石碎 片的同时也激起大量沉积物. 本文选取最为典型的 (c)类底质作为采掘区底质,利用超声测深系统分别 对泥沙沉积物、裸露钴结壳或基岩两种底质进行探测. 在沉积学界,海底沉积物按照沉积物粒径大小一 般被粗分为:泥、砂、粉砂、砾四种基本类型. 进一步, 考虑到海底沉积物底质主要由不同比例成分的泥、砂 和砾石混合而成,研究者根据泥、砂和砾石的不同比例 组成提出了一些沉积物分类方法. 其中,Folk 沉积物 分类方法是目前被广泛使用的一种沉积物分类方法. 依据 Folk 沉积物分类方法,可将海底沉积物分为 14 个大类. 对于超声微地形探测系统而言,因采矿作业而悬 浮于水中的细小泥沙颗粒形成的体积混响将是主要干 扰源,而对于较大颗粒碎片干扰产生的异常值,则可在 后期的数据处理中对其进行剔除,因此在实验系统中 主要对悬浮于水中的细小泥沙颗粒形成的体积混响干 扰进行研究. 因此可选取 Folk 沉积物分类方法中的泥 质砂(其中泥、砂的质量比为:30% ,70% )作为制作样 本,以模拟沉积物对超声信号的影响. 实验室内用的 模拟沉积物采用细河沙与黄土以 7 颐 3的比例混合而 成. 而堆积河沙的密度为 籽1 = 1450 kg·m - 3 ,堆积黄土 的密度 籽2 = 1600 kg·m - 3 ,按配比计算得混合物的密度 为 籽s = 1495 kg·m - 3 . 实验中,利用项目组研究的螺旋式钴结壳破碎实 验台破碎模拟料[16] 产生的碎片与模拟沉积物(泥质 砂)均匀混合并铺设在池底,以模拟采掘区叶轮下方 的底质,所用模拟料是根据钴结壳及基岩物理力学性 能制备而成. 然后制备待开采区底质,将得到模拟沉 积物平铺于池底,形成沉积物底质面;将实验室的钴结 壳,放置在水池底部,模拟裸露钴结壳底质. 启动叶轮组,设定转速为 50 r·min - 1 ,运转稳定后 用 1 L 水体取样杯分别在叶轮前方 x = 0郾 5 m、 x = 1郾 0 m、x = 1郾 5 m 处对距叶轮中心轴水平高度 - 0郾 2、 0郾 1、0郾 4、0郾 7、1郾 0 和 1郾 2 m 位置的水体进行取样,每个 取样点取样三次,并用过滤称重法求得每个取样点的 平均泥沙体积分数,如图 14 所示. 将实测数据与仿真数据进行对比分析,运用公式: ·660·

郝奇等：模拟深海采矿混响环境实验装置研究 ·661· 0.08 果与仿真结果有一定的误差是可以接受的，并且实测 —x=0.5m …x=1.0m 浓度与仿真结果的浓度趋势相同，可以基本判定仿真 0.06 =-…x=15m 模型的正确性 表4实测数据与叶轮仿真数据体积分数相对误差 30.04 Table 4 Volume fraction relative error between measured and simulated data 0.02 体积分数相对误差 池底叶轮位置 高度/m x=0.5m x=1.0m x=1.5m 0.5 05 -0.2 12.50 9.35 11.80 0 1.0 1.5 垂直高度m 0.1 1.49 6.44 14.14 0.4 7.11 7.59 8.44 图14不同高度泥沙的体积分数 0.7 2.63 2.63 Fig.14 Sediment volume fraction at different heights 2.87 1.0 14.28 1.51 4.34 相对误差=仿直值-测量值×100%. 1.2 8.71 15.60 12.93 仿真值 得到相对误差如表4所示. 4 模拟采矿环境下超声探测实验 从图14可以看出，其与图12中仿真模型泥沙浓 度变化趋势相同，随着高度的增加，泥沙体积分数逐渐 本超声探测系统选用收发一体压电陶瓷超声换能 降低.但从表4可以看出，实测数据与仿真数据在各 器，谐振中心频率为160kHz,波束角为7°，发射信号为 点相对误差较大，推测原因有以下几点 矩形脉冲信号，经过变压器升压后加到换能器两端，脉 (1)仿真模型进行了一定程度的假设与简化. 冲信号持续时间为37.5us,采样频率为2MHz,单次采 (2)仿真得到为泥沙体积分数，实际测量得到的 集6000个数据点.实验之前首先需要标定探测点高 是质量浓度，误差计算过程中，需要将泥沙质量浓度转 度真实值，沉积物底质标定值为1.170m,钴结壳底质 化为体积分数，转化公式为：e=mP,,其中m为泥沙 标定值为1.123m 质量浓度，泥沙密度p.取定值1495kg·m3,而实际p. 实验时，首先在叶轮未转动时对清水中的沉积物 并不是固定值 和钴结壳底质进行探测，然后启动叶轮，设定转速为 (3)过滤称重法存在一定的测量误差 50r·min',运转稳定后，再对浑水中的沉积物和钴结 考虑到实际采矿环境的复杂性，认为实际测量结 壳底质进行探测，得到的探测数据如图15所示. (a) 清水 (b) 清水 3 ,发射信号 ,目标回波 ,发射信号 ,目标回波 2 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 点数 点数 浑水（未启动TGC) 浑水（未启动T℃C) 混响 ,目标回波 混响 ,目标回波 1000 2000 3000 4000 5000 6000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 点数 点数 浑水（启动TGC) 浑水（启动TCC) ,混响 ,目标回波 混响 ,目标回波 1000 2000 3000 4000 5000 6000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 点数 点数 图15模拟泥沙底质和钴结壳底质的回波信号.(a)沉积物底质回波信号：(b)钴结壳底质回波信号 Fig.15 Received signals from sediment and cobalt crust:(a)received sediment signal;(b)received cobalt crust signal

郝 奇等: 模拟深海采矿混响环境实验装置研究 图 14 不同高度泥沙的体积分数 Fig. 14 Sediment volume fraction at different heights 相对误差 = 仿真值 - 测量值 仿真值 伊 100% . 图 15 模拟泥沙底质和钴结壳底质的回波信号. (a) 沉积物底质回波信号; (b) 钴结壳底质回波信号 Fig. 15 Received signals from sediment and cobalt crust: (a) received sediment signal; (b) received cobalt crust signal 得到相对误差如表 4 所示. 从图 14 可以看出,其与图 12 中仿真模型泥沙浓 度变化趋势相同,随着高度的增加,泥沙体积分数逐渐 降低. 但从表 4 可以看出,实测数据与仿真数据在各 点相对误差较大,推测原因有以下几点. (1) 仿真模型进行了一定程度的假设与简化. (2) 仿真得到为泥沙体积分数,实际测量得到的 是质量浓度,误差计算过程中,需要将泥沙质量浓度转 化为体积分数,转化公式为:着 = ms 籽 - 1 s ,其中 ms 为泥沙 质量浓度,泥沙密度 籽s 取定值 1495 kg·m - 3 ,而实际 籽s 并不是固定值. (3) 过滤称重法存在一定的测量误差. 考虑到实际采矿环境的复杂性,认为实际测量结 果与仿真结果有一定的误差是可以接受的,并且实测 浓度与仿真结果的浓度趋势相同,可以基本判定仿真 模型的正确性. 表 4 实测数据与叶轮仿真数据体积分数相对误差 Table 4 Volume fraction relative error between measured and simulated data 高度/ m 体积分数相对误差 x = 0郾 5 m x = 1郾 0 m x = 1郾 5 m - 0郾 2 12郾 50 9郾 35 11郾 80 0郾 1 1郾 49 6郾 44 14郾 14 0郾 4 7郾 11 7郾 59 8郾 44 0郾 7 2郾 63 2郾 63 2郾 87 1郾 0 14郾 28 1郾 51 4郾 34 1郾 2 8郾 71 15郾 60 12郾 93 4 模拟采矿环境下超声探测实验 本超声探测系统选用收发一体压电陶瓷超声换能 器,谐振中心频率为 160 kHz,波束角为 7毅,发射信号为 矩形脉冲信号,经过变压器升压后加到换能器两端,脉 冲信号持续时间为 37郾 5 滋s,采样频率为 2 MHz,单次采 集 6000 个数据点. 实验之前首先需要标定探测点高 度真实值,沉积物底质标定值为 1郾 170 m,钴结壳底质 标定值为 1郾 123 m. 实验时,首先在叶轮未转动时对清水中的沉积物 和钴结壳底质进行探测,然后启动叶轮,设定转速为 50 r·min - 1 ,运转稳定后,再对浑水中的沉积物和钴结 壳底质进行探测,得到的探测数据如图 15 所示. ·661·

·662· 工程科学学报，第39卷，第5期 从图15可以看出，本文设计的声呐测深系统在清 pography Detection in Reverberant Ewironment [Dissertation]. 水中，回波信号位置明显，在模拟采矿混响环境（浑 Changsha:Central South University,2013 水)中，由于悬浮泥沙对声波产生的黏滞和吸收，回波 (洪余久.水下混响环境微地形探测目标回波检测方法研究 [学位论文].长沙：中南大学，2013) 信号有一定的衰减，对泥沙底质探测时，目标回波衰减 [5]Zhao H M,Ji Y Q,Hong Y J,et al.A Volterra series-based 9.6dB,对钴结壳底质探测时，目标回波衰减7.3dB. method for extracting target echoes in the seafloor mining environ- 并且接收信号有较强的混响干扰，在未启动TGC时， ment.Ultrason,2016,71:29 混响信号可以达到与目标回波同样的幅值，甚至会超 [6]Zhao H M,Hong Y J,Xia Y M,et al.Chaos analysis of reverber- 过目标回波，这将使目标检测概率降低，虚警概率增 ation from short distance acoustic detection in deep-sea mining en- 加，增加了探测难度.启动时间增益补偿(time gain vironment//Fifth International Conference on Measuring Technol- compensation,TGC)后，混响信号得到抑制，其幅值明 ogy and Mechatronics Automation.Hong Kong.2013:361 [7]Halkyard J E.Technology for mining cobalt rich manganese crusts 显低于目标回波信号，增加了目标检测概率。 from seamounts /Oceans85-0cean Engineering and the Enriron- 5结论 ment.New York,1985:352 [8]Xia Y M,Zhang Z H,Shen B.Optimal design of cobalt crust cut- 本文从水下流场出发，提出一种可以模拟真实采 ting head structure parameter based on genetic algorithm.Adr Ma 矿混响环境的超声探测实验装置.利用Fluent数值模 ter Res,2012,468471:2370 拟了采掘头及多组叶轮模型对水下流场的影响，表明 [9]Zhang G Q,Xia Y M,Zhang Z H,et al.Analysis of load charac teristics of spiral roller's collecting head in gathering deep-sea co 所选叶轮模型对水下流场的影响与真实螺旋采掘头相 balt-rich crusts.J Cent South Univ Sci Technol,2011,42(Suppl 似，并通过实验测量了叶轮方式下泥沙垂向浓度分布， 2):266 实验结果基本与仿真结果相符，表明叶轮模型可以模 (张刚强，夏毅敏，张振华，等.深海富钴结壳螺旋滚筒式采 拟采矿环境下的声学混响环境.基于该超声探测实验 集头载荷特性分析.中南大学学报（自然科学版），2011,42 装置，在模拟采矿环境下进行了超声探测实验，结果表 (增刊2)：266) 明，悬浮泥沙不仅对声波产生黏滞和吸收，而且会产生 [10]Xia Y M,Wu F,Cheng L,et al.Optimal design of dise cutter 严重的混响干扰，通过探测系统的时间增益补偿(ime structure parameter based on Genetic Algorithm.Appl Mech Ma- ter,2011.130-134:919 gain compensation,TGC),可有效抑制混响干扰，增加 [11]Xia Y M,Zhang GQ,Nie S J,et al.Optimal control of cobalt 日标检测概率. crust seabed mining parameters based on simulated annealing ge- 本超声探测实验装置为下一步的工作提供实验条 netic algorithm.J Cent South Unin Technol,2011,18(3):650 件，例如：模拟采矿环境下的最佳发射波形设计、信号 [12]Zhang Z H.Research of Cobalt Crust Spiral Mining Head Cutting 处理算法研究及底质识别等 Pick Fragmentation Characteristic and Arrangement Optimization [Dissertation].Changsha:Central South University,2012 (张振华.深海钴结壳采集头截齿破碎性能及截齿布置优化 参考文献 研究[学位论文].长沙：中南大学，2012) 13]Zhang F Y,Zhang W Y,Zhang X Y,et al.Indices of classifica- [1]Li M,Zhao H M,Xiong Z H,et al.Reverberation local stationar- tion and nomenclature for deep-sea sediment and principal com- ity analysis of the simulation mining environment.Acta Electronica ponent analysis.Acta Oceanologica Sinica,2010,32(6):118 Sinica,2015,43(7):1281 (张富元，章伟艳，张霄宇，等.深海沉积物分类与命名的参 (李密，赵海鸣，熊志宏，等.模拟深海采矿环境下混响的局 数指标和主成分分析.海洋学报，2010,32(6)：118) 部平稳性分析.电子学报，2015,43(7)：1281) [14]Feng Y L,Ma JZ,Zhang W M,et al.Obstacle performance of [2]Bu YY,Ren F Y,Luo B W,et al.Development of mechanical a planetary wheel mining vehicle in the deep sea bed.J Unie Sci tiny terrain detector based on three-dimensional software AVS/Ex- Technol Beijing.2009.31(7):923 press.Min Process Equip,2005,33(12):6 (冯雅丽，马佳珍，张文明，等.深海采矿机行星轮式行走机 (卜英勇，任凤跃，罗柏文，等.基于AVS/Express三维显示 构越障行为.北京科技大学学报.2009,31(7)：923) 的机械式微地形探测仪研制.矿山机械，2005,33(12)：6) [15]Yamazaki T,Sharma R.Morphological features of Co-rich man- [3]Zhao H M,Bu YY,Wang J C,et al.Detection of seabed cobalt- ganese deposits and their relation to seabed slopes.Marine Geore- rich crusts micro-topography based on single-beam ultrasonic sources Geotechnol,2000,18(1):43 wave.J Cent South Unir Sci Technol,2007,38(5):932 [16]Bu YY,Qiu C J,Tang H P,et al.Research on simulation ma (赵海鸣，卜英勇，王纪婵，等.摆动式单波束超声波水下微 terial for cobalt-rich crusts.J Nanhua Unig Sci Eng Ed,2002, 地形探测.中南大学学报（自然科学版），2007,38(5)： 16(4):50 932) (卜英勇，邱长军，唐红平，等.富钻结壳模拟材料的研制 [4]Hong Y J.Research on Target Echo Detection Method of Microto- 南华大学学报（理工版），2002,16(4)：50)

工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 从图 15 可以看出,本文设计的声呐测深系统在清 水中,回波信号位置明显,在模拟采矿混响环境( 浑 水)中,由于悬浮泥沙对声波产生的黏滞和吸收,回波 信号有一定的衰减,对泥沙底质探测时,目标回波衰减 9郾 6 dB,对钴结壳底质探测时,目标回波衰减 7郾 3 dB, 并且接收信号有较强的混响干扰,在未启动 TGC 时, 混响信号可以达到与目标回波同样的幅值,甚至会超 过目标回波,这将使目标检测概率降低,虚警概率增 加,增加了探测难度. 启动时间增益补偿( time gain compensation,TGC)后,混响信号得到抑制,其幅值明 显低于目标回波信号,增加了目标检测概率. 5 结论 本文从水下流场出发,提出一种可以模拟真实采 矿混响环境的超声探测实验装置. 利用 Fluent 数值模 拟了采掘头及多组叶轮模型对水下流场的影响,表明 所选叶轮模型对水下流场的影响与真实螺旋采掘头相 似,并通过实验测量了叶轮方式下泥沙垂向浓度分布, 实验结果基本与仿真结果相符,表明叶轮模型可以模 拟采矿环境下的声学混响环境. 基于该超声探测实验 装置,在模拟采矿环境下进行了超声探测实验,结果表 明,悬浮泥沙不仅对声波产生黏滞和吸收,而且会产生 严重的混响干扰,通过探测系统的时间增益补偿( time gain compensation,TGC),可有效抑制混响干扰,增加 目标检测概率. 本超声探测实验装置为下一步的工作提供实验条 件,例如:模拟采矿环境下的最佳发射波形设计、信号 处理算法研究及底质识别等. 参 考 文 献 [1] Li M, Zhao H M, Xiong Z H, et al. Reverberation local stationar鄄 ity analysis of the simulation mining environment. Acta Electronica Sinica, 2015, 43(7): 1281 (李密, 赵海鸣, 熊志宏, 等. 模拟深海采矿环境下混响的局 部平稳性分析. 电子学报, 2015, 43(7): 1281) [2] Bu Y Y, Ren F Y, Luo B W, et al. Development of mechanical tiny terrain detector based on three鄄dimensional software AVS / Ex鄄 press. Min Process Equip, 2005, 33(12): 6 (卜英勇, 任凤跃, 罗柏文, 等. 基于 AVS / Express 三维显示 的机械式微地形探测仪研制. 矿山机械, 2005, 33(12): 6) [3] Zhao H M, Bu Y Y, Wang J C, et al. Detection of seabed cobalt鄄 rich crusts micro鄄topography based on single鄄beam ultrasonic wave. J Cent South Univ Sci Technol, 2007, 38(5): 932 (赵海鸣, 卜英勇, 王纪婵, 等. 摆动式单波束超声波水下微 地形探测. 中南大学学报( 自然科学版), 2007, 38 ( 5 ): 932) [4] Hong Y J. Research on Target Echo Detection Method of Microto鄄 pography Detection in Reverberant Environment [ Dissertation ]. Changsha: Central South University, 2013 (洪余久. 水下混响环境微地形探测目标回波检测方法研究 [学位论文]. 长沙: 中南大学, 2013) [5] Zhao H M, Ji Y Q, Hong Y J, et al. A Volterra series鄄based method for extracting target echoes in the seafloor mining environ鄄 ment. Ultrason, 2016, 71: 29 [6] Zhao H M, Hong Y J, Xia Y M, et al. Chaos analysis of reverber鄄 ation from short distance acoustic detection in deep鄄sea mining en鄄 vironment / / Fifth International Conference on Measuring Technol鄄 ogy and Mechatronics Automation. Hong Kong, 2013: 361 [7] Halkyard J E. Technology for mining cobalt rich manganese crusts from seamounts / / Oceans蒺85鄄Ocean Engineering and the Environ鄄 ment. New York, 1985:352 [8] Xia Y M, Zhang Z H, Shen B. Optimal design of cobalt crust cut鄄 ting head structure parameter based on genetic algorithm. Adv Ma鄄 ter Res, 2012, 468鄄471: 2370 [9] Zhang G Q, Xia Y M, Zhang Z H, et al. Analysis of load charac鄄 teristics of spiral roller蒺s collecting head in gathering deep鄄sea co鄄 balt鄄rich crusts. J Cent South Univ Sci Technol, 2011, 42( Suppl 2): 266 (张刚强, 夏毅敏, 张振华, 等. 深海富钴结壳螺旋滚筒式釆 集头载荷特性分析. 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42 (增刊 2): 266) [10] Xia Y M, Wu F, Cheng L, et al. Optimal design of disc cutter structure parameter based on Genetic Algorithm. Appl Mech Ma鄄 ter, 2011, 130鄄134: 919 [11] Xia Y M, Zhang G Q, Nie S J, et al. Optimal control of cobalt crust seabed mining parameters based on simulated annealing ge鄄 netic algorithm. J Cent South Univ Technol, 2011, 18(3): 650 [12] Zhang Z H. Research of Cobalt Crust Spiral Mining Head Cutting Pick Fragmentation Characteristic and Arrangement Optimization [Dissertation]. Changsha: Central South University, 2012 (张振华. 深海钴结壳采集头截齿破碎性能及截齿布置优化 研究[学位论文]. 长沙: 中南大学, 2012) [13] Zhang F Y, Zhang W Y, Zhang X Y, et al. Indices of classifica鄄 tion and nomenclature for deep鄄sea sediment and principal com鄄 ponent analysis. Acta Oceanologica Sinica, 2010, 32(6): 118 (张富元, 章伟艳, 张霄宇, 等. 深海沉积物分类与命名的参 数指标和主成分分析. 海洋学报, 2010, 32(6): 118) [14] Feng Y L, Ma J Z, Zhang W M, et al. Obstacle performance of a planetary wheel mining vehicle in the deep sea bed. J Univ Sci Technol Beijing, 2009, 31(7): 923 (冯雅丽, 马佳珍, 张文明, 等. 深海采矿机行星轮式行走机 构越障行为. 北京科技大学学报, 2009, 31(7): 923) [15] Yamazaki T, Sharma R. Morphological features of Co鄄rich man鄄 ganese deposits and their relation to seabed slopes. Marine Geore鄄 sources Geotechnol, 2000, 18(1): 43 [16] Bu Y Y, Qiu C J, Tang H P, et al. Research on simulation ma鄄 terial for cobalt鄄rich crusts. J Nanhua Univ Sci Eng Ed, 2002, 16(4): 50 (卜英勇, 邱长军, 唐红平, 等. 富钴结壳模拟材料的研制. 南华大学学报(理工版), 2002, 16(4): 50) ·662·