• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊
  • Scopus收录期刊
  • DOAJ收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于变截面流道形式的深海多金属结核采集装置集矿特性分析

魏佳康 张修占 刘茜茜 刘建成 李磊 陈峰落 张铁栋 李浩

魏佳康, 张修占, 刘茜茜, 等. 基于变截面流道形式的深海多金属结核采集装置集矿特性分析[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(3): 495-503 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0044
引用本文: 魏佳康, 张修占, 刘茜茜, 等. 基于变截面流道形式的深海多金属结核采集装置集矿特性分析[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(3): 495-503 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0044
WEI Jiakang, ZHANG Xiuzhan, LIU Xixi, LIU Jiancheng, LI Lei, CHEN Fengluo, ZHANG Tiedong, LI Hao. Ore-Collecting Characteristic Analysis of Deep-Sea Polymetallic Nodule Collection Device Based on Variable Cross-Section Flow Channel[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(3): 495-503. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0044
Citation: WEI Jiakang, ZHANG Xiuzhan, LIU Xixi, LIU Jiancheng, LI Lei, CHEN Fengluo, ZHANG Tiedong, LI Hao. Ore-Collecting Characteristic Analysis of Deep-Sea Polymetallic Nodule Collection Device Based on Variable Cross-Section Flow Channel[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(3): 495-503. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0044

基于变截面流道形式的深海多金属结核采集装置集矿特性分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0044
基金项目: 广东省自然资源厅促进经济高质量发展项目(GDNRC [2024]44).
详细信息
    作者简介:

    魏佳康(1995-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为深海采矿装备技术

    通讯作者:

    张修占(1983-), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为海洋装备技术.

  • 中图分类号: TJ6; U674

Ore-Collecting Characteristic Analysis of Deep-Sea Polymetallic Nodule Collection Device Based on Variable Cross-Section Flow Channel

  • 摘要: 深海矿产资源开发的快速发展对装备技术提出更高要求, 其中多金属结核水力采集装置因复杂流-固耦合作用导致的流道结构设计缺陷, 造成结核捕获效率显著降低, 严重制约深海采矿商业化进程。文中针对被广泛应用的双排射流与附壁射流装置, 基于剪切应力传输 k-ω湍流模型和离散元方法(DEM)的数值分析方法, 探究2种水力集矿方式的流场分布、颗粒运动规律以及采集头与变截面式流道的搭配性。结果表明: 2种采集方式的输送流率均随射流流量的增大而增大, 射流流量在一定范围内对采集率影响较小, 流道构型对采集率的影响较大; 双排射流由于受漩涡等非均匀流场的影响, 流道入口处阻碍了结核的有效提升, 双排射流的采集率仅有80%; 附壁射流由于其均匀分布的流场结构, 表现出较优的结核开采能力, 采集率约为95%; 相同结构尺寸及水力参数条件下, 附壁射流的集矿能力与流道的搭配性更优, 双排射流在商业化应用设计中应重点解决流场漩涡等负面影响。文中研究可为深海多金属结核高效采集装置的结构设计提供参考。

     

  • 图  1  射流集矿流场及结核运动特征示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of flow field and nodule movement of jet collecting ore

    图  2  2种采集头结构三维模型

    Figure  2.  Structure diagram of the 3D model of two kinds of collection head structures

    图  3  数值计算几何模型图

    Figure  3.  Geometric model diagram for numerical calculation

    图  4  不同网格数量条件下监测线速度对比曲线

    Figure  4.  Comparison curves of monitoring line velocities under different grid numbers

    图  5  双排射流采集装置剖面流速云图

    Figure  5.  Velocity cloud images of the double-row jet collection device

    图  6  附壁射流采集装置剖面流速云图

    Figure  6.  Velocity cloud images of the wall-attached jet collection device

    图  7  不同时刻下双排射流采集流道内部颗粒运动情况

    Figure  7.  The movement of particles inside the double-row jet-collected flow channel at different times

    图  8  不同时刻下附壁射流采集流道内部颗粒运动情况

    Figure  8.  The movement of particles inside the wall-attached jet-collected flow channel at different times

    图  9  稳定状态下采集流道内颗粒速度分布频率

    Figure  9.  The particle velocity distribution frequency in the collection flow channel under steady state

    图  10  不同工况下流域内颗粒数变化曲线

    Figure  10.  Curves of particle count in the basin under different working conditions

    图  11  2种采集装置采集率与输送能力对比

    Figure  11.  Comparison of collecting rate and conveying capacity of two kinds of collection devices

  • [1] 康娅娟, 刘少军. 深海多金属结核开采技术发展历程及展望[J]. 中国有色金属学报, 2021, 31(10): 2848-59.

    KANG Y J, LIU S J. Development history and prospect of deep sea polymetallic nodules mining technology[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2021, 31(10): 2848-59.
    [2] DU D W, REN X W, YAN S J, et al. An integrated method for the quantitative evaluation of mineral resources of cobalt-rich crusts on seamounts[J]. Ore Geology Reviews. 2017, 84: 174-184.
    [3] 王明和. 深海固体矿产资源开发[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2015.
    [4] 赵松年, 刘峰. 德国深海采矿技术的研究[J]. 金属矿山, 1995(6): 14-17.
    [5] SAID A, DHRUV M, RUDY H. Mining of deep-seabed nodules using a Cnandă-effect-based collector[J]. Results in Engineering, 2023, 17: 1-14.
    [6] 赵国成, 肖龙飞, 杨建民, 等. 深海水力集矿球 形颗粒受力特性研究[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(8): 907-912.
    [7] JIA H, YANG J, SU X H, et al. Theoretical prediction on hydraulic lift of a Coanda effect-based mining collector for manganese nodule[J]. Energies, 2022, 15(17): 6345. doi: 10.3390/en15176345
    [8] 刘杰, 许栋, 及春宁, 等. 深海多金属结核水力集矿头流场结构数值模拟研究[J]. 海洋工程, 2023, 41(3): 123-136.
    [9] YUE Z Y, ZHAO G C, XIAO L F, et al. Comparative study on collection performance of three nodule collection methods in seawater and sediment-seawater mixture[J]. Applied Ocean Research, 2021, 110: 102606. doi: 10.1016/j.apor.2021.102606
    [10] 王国荣, 黄泽奇, 周守为, 等. 深海矿产资源开发装备现状及发展方向[J]. 中国工程科学, 2023, 25(3): 1-12.

    WANG G R, HUANG Z Q, ZHOU S W, et al. Current status and development direction of deep-sea mineral resources exploitation equipment[J]. Engineering Science, 2023, 25(3): 1-12.
    [11] 杨浩. 深海采矿射流集矿装置的流场特性研究[D]. 杭州: 浙江理工大学, 2023.
    [12] 董志勇. 冲击射流[M]. 北京: 海洋出版社, 1997.
    [13] LIU X X, CHEN X G, WEI J K, et al. Study on sediment erosion generated by a deep-sea polymetallic-nodule collector based on double-row jet[J]. Ocean Engineering, 2023, 285(P1): 115220.
    [14] 李蘅. 深海采矿水力提升系统粗颗粒运动规律模拟研究[D]. 北京: 清华大学, 2003.
    [15] OEBIUS H U, BECKER H J, ROLINSKI S, et al. Parametrization and evaluation of marine environmental impacts produced by deep-sea manganese nodule mining[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2001, 48(17): 3453-3467.
    [16] DI R A, DI M. Comparison of contact-force models for the simulation of collisions in DEM-based granular flow codes[J]. Chemical Engineering Science, 2004, 59(3): 525-541. doi: 10.1016/j.ces.2003.09.037
    [17] VOLKMANN S E, LEHNEN F. Production key figures for planning the mining of manganese nodules[J]. Marine Georesources & Geotechnology, 2018, 36(3/4): 360-375.
  • 加载中
图(11)
计量
  • 文章访问数:  96
  • HTML全文浏览量:  46
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-11
  • 修回日期:  2025-03-31
  • 录用日期:  2025-04-24
  • 网络出版日期:  2025-05-27

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号