深海多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭流場(chǎng)參數(shù)匹配

張東寬，官 雷，曹華德，夏建新

（1.中央民族大學(xué)環(huán)境系，北京 100081；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083）

深海多金屬結(jié)核資源是我國(guó)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略保障，開(kāi)發(fā)深海資源已成為必然選擇。我國(guó)關(guān)于深海多金屬結(jié)核采集技術(shù)的研究還不夠成熟，采集頭參數(shù)匹配不合理，導(dǎo)致采集效率低，試驗(yàn)中屢出問(wèn)題。本文針對(duì)多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，開(kāi)展采集頭參數(shù)及其匹配的研究，為采集頭的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

采集頭是開(kāi)采深海多金屬結(jié)核的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了機(jī)械式、水力式兩種采集方式，但機(jī)械式采集頭容易被較大的礦石卡住，機(jī)械組件很容易出現(xiàn)故障，可靠性難以保證，因此后期的研究者均選用水力式采集[1]，流態(tài)化采集頭就是利用水力采集方式在前后水射流作用下將多金屬結(jié)核礦石轉(zhuǎn)為流態(tài)化采集的設(shè)備。劉少軍等[2]對(duì)深海采礦裝備發(fā)展的可行性及研發(fā)模式進(jìn)行了總結(jié)與展望，表明水力式采集方式相對(duì)機(jī)械式具有更高的采集效率。陳新明等[3]使用雙排射流集礦模型機(jī)進(jìn)行了模擬結(jié)核礦石采集試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)行進(jìn)速度、噴嘴參數(shù)和射流沖擊力的綜合分析，認(rèn)為噴嘴間距為300~700 mm，離結(jié)核層高度為100~300 mm區(qū)域進(jìn)行采集較為合適。ZHAO G C等[4]通過(guò)量綱分析和實(shí)驗(yàn)研究，探討了球形顆粒的收集機(jī)理，在試驗(yàn)中觀察到渦流有助于增強(qiáng)吸力的現(xiàn)象，建立了收集性能預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀９乃嫉萚5]采用大渦模擬方法（Large Eddy Simulation，LES）對(duì)淹沒(méi)射流紊動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明淹沒(méi)射流流場(chǎng)具有很強(qiáng)的紊動(dòng)性和隨機(jī)性，射流主體上固定點(diǎn)的速度和壓力大小有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。ZHANG Y等[6]通過(guò)一系列的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了提升粗顆粒的臨界抽吸速度，得到了固液兩相流的流動(dòng)特性，給出了預(yù)測(cè)臨界抽吸速度的擬合公式。KIM S等[7]開(kāi)發(fā)了基于康達(dá)效應(yīng)的計(jì)算模型，預(yù)測(cè)了基于康達(dá)效應(yīng)拾取裝置的收集效率，優(yōu)化了基于康達(dá)效應(yīng)的拾取裝置的設(shè)計(jì)。目前關(guān)于采集頭設(shè)計(jì)參數(shù)的研究成果大都來(lái)源于試驗(yàn)，相較真實(shí)條件存在不同程度的簡(jiǎn)化，不同參數(shù)的對(duì)比研究較少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要理論分析結(jié)果的支撐，尤其是不同條件下淹沒(méi)射流流場(chǎng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建，以及射流噴嘴結(jié)構(gòu)與噴射流速等參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化等方面的研究有待進(jìn)一步深入。

利用理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析為試驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，將極大提高試驗(yàn)效率。本文利用FLUENT Meshing的網(wǎng)格優(yōu)化法建立不同射流角度的采集頭模型，借助流體分析軟件FLUENT模擬采集頭內(nèi)部水動(dòng)力特性，分析采集頭內(nèi)部流場(chǎng)特性和參數(shù)匹配，得到流場(chǎng)效果相對(duì)較好的多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭參數(shù)。

1 采集頭模型

多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭由前后相對(duì)的兩排噴嘴、導(dǎo)流板、結(jié)核輸送通道組成，如圖1所示。前后兩排噴嘴噴出的水流將結(jié)核松動(dòng)、剝離、懸浮和抬升，被舉升的結(jié)核在導(dǎo)流板的引導(dǎo)下將結(jié)核引導(dǎo)至輸送通道，在輸送通道抽吸作用下結(jié)核被輸送至集礦機(jī)的其他部分[8]。前后兩排射流對(duì)多金屬結(jié)核的破土、剝離、懸浮起主要作用，多金屬結(jié)核被懸浮起來(lái)后，依靠輸送管道的抽吸作用，多金屬結(jié)核被有效采集。

圖1 多金屬結(jié)核采集車(chē)及其流態(tài)化采集頭

采集頭內(nèi)部流場(chǎng)特性和工作參數(shù)的匹配涉及多參數(shù)、多極值、非線性系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題[9]。采用基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）理論的流體分析軟件FLUENT對(duì)采集頭內(nèi)部進(jìn)行流場(chǎng)分析。根據(jù)雷諾數(shù)的大小選擇k-ε計(jì)算模型，控制方程采用有限體積法二階微分格式進(jìn)行離散[10]。因?yàn)椴杉^在前后排噴嘴中心的縱切面一致，采用二維模型對(duì)采集頭內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，以減少仿真計(jì)算量，提高計(jì)算速度。網(wǎng)格劃分選用高計(jì)算精度的四邊形網(wǎng)格。

1.1 模型幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1.1 前后噴嘴離地高度h1和h2

噴嘴應(yīng)盡可能接近海底，以便獲得較高的回采率。但離底高度必須大于結(jié)核突出海底的高度，否則，結(jié)核可能被推到采集頭外，無(wú)法進(jìn)入采集頭。原位采樣結(jié)果表明，結(jié)核大小不等，一般直徑在5~10 cm之間[11]，大小如土豆，有部分裸露在沉積物上面，還有部分半埋在沉積物中，射流要射到沉積物內(nèi)部，在數(shù)值模擬中將噴嘴離地高度設(shè)為h1=h2=180 mm。

1.1.2 噴嘴排距L

水力式集礦是利用水射流將海底沉積物沖開(kāi)，并將結(jié)核從沉積物中剝離、懸浮到一定高度，最后到達(dá)吸入口，在抽吸作用下進(jìn)入輸送管，經(jīng)過(guò)輸送管到達(dá)采礦車(chē)上。礦石從沉積物剝離、懸浮、上升到輸送管入口需要一段時(shí)間，采集頭前后排噴嘴之間需要有一定的間距，以保證在此時(shí)段礦石仍在采集頭內(nèi)，合理的間距也可以改善流場(chǎng)的均勻穩(wěn)定性[12]，在數(shù)值模擬中將前后排噴嘴的排距設(shè)定為L(zhǎng)=600 mm。

1.1.3 前后射流角度θ1和θ2

射流角度影響射流對(duì)沉積物的力度和深度，必須要保證射流將礦石和沉積物攪動(dòng)，并使之進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)。比利時(shí)全球海洋礦物資源公司（Global Sea Mineral Resources，GSR）采用單排噴嘴射流，主要靠射流的康達(dá)效應(yīng)抬升結(jié)核，射流與水平方向夾角采用小角度，在40°~45°[13]。要使前后射流對(duì)結(jié)核的剝離起主要作用，并且使前后射流不容易產(chǎn)生交錯(cuò)，前后射流與水平夾角的選擇需要傾向于大值，但角度并不是越大越好，還需要保證水流在斜向上對(duì)結(jié)核具有一定的切削力度。

1.1.4 前后射流噴嘴直徑d1和d2

射流的有效長(zhǎng)度l取決于噴嘴形成射流的直徑，根據(jù)相關(guān)研究，射流的有效距離是噴嘴直徑的5~6倍[14]。在有效長(zhǎng)度內(nèi)部，射流的能量相對(duì)集中，在這個(gè)長(zhǎng)度之外，射流能量開(kāi)始擴(kuò)散并降低其速度。d1和d2大小由射流距離決定，為保證射流的能量在射向底面過(guò)程中相對(duì)集中，將噴嘴直徑設(shè)為d1=d2=40 mm。

1.1.5 輸送管道寬度Hs和傾角γ

輸送通道主要尺寸為寬度Hs和傾角γ。寬度Hs取決于結(jié)核的最大直徑，通常等于結(jié)核最大直徑的2倍，仿真分析時(shí)將寬度設(shè)為Hs=200 mm。傾角γ為45°，如果角度增加，輸送多金屬結(jié)核消耗的能量會(huì)大幅升高[15]。

1.1.6 前后嘴射流速度v1、v2

在雙股淹沒(méi)射流沖擊的情形下，射流在底面會(huì)發(fā)生相互碰撞，并形成上噴流。前、后噴嘴射流速度需要根據(jù)射流角度和流場(chǎng)情況進(jìn)行優(yōu)化匹配，不能出現(xiàn)射流不觸底、前后射流交錯(cuò)情況。在數(shù)值模擬時(shí)，通過(guò)固定前射流速度為v1=10 m/s，調(diào)整后噴嘴射流速度v2找到一個(gè)合適的速度。

表1所示為多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭各項(xiàng)參數(shù)情況。

表1 多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭基本參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬工況

為了使采集頭前后射流均能射到結(jié)核底部以下，然后碰撞匯聚成為上噴流[16]，使采集頭起到較好的破土、剝離、懸浮、抽吸多金屬結(jié)核的作用，需要在前期大量模擬基礎(chǔ)上對(duì)采集頭參數(shù)進(jìn)行工況設(shè)計(jì)，排除射流不能到達(dá)結(jié)核底部、射流交錯(cuò)等情況。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前后雙排噴嘴的采集頭射流角度小于60°時(shí)，前后射流容易產(chǎn)生交錯(cuò)，一側(cè)射流流入輸送管道入口，另一側(cè)射流從采集頭底部流出。當(dāng)采集頭射流角度大于75°時(shí)，對(duì)多金屬結(jié)核的剝離和懸浮作用大幅減弱。因此，將數(shù)值模擬工況定在60°~75°之間進(jìn)行模擬，射流角度變化采取梯度為5°進(jìn)行分析，前射流速度固定為10 m/s，每一個(gè)射流角度分別對(duì)應(yīng)3 m/s、4 m/s、5 m/s的3種抽吸速度和11 m/s、13 m/s、15 m/s的3種后射流速度進(jìn)行比較分析。數(shù)值模擬工況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬工況參數(shù)

2 CFD數(shù)值分析方法

計(jì)算流體力學(xué)是將時(shí)間和空間上連續(xù)的物理場(chǎng)離散為有限的點(diǎn)，然后通過(guò)質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程建立這些離散點(diǎn)上相關(guān)變量的關(guān)系方程組，通過(guò)求解方程組得到所有變量的近似解，這種數(shù)值模擬方法可以得到流場(chǎng)中各物理量的大小和分布情況，進(jìn)而得到流場(chǎng)的相關(guān)特性[17]。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)采集頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析[18]，假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子的粘性影響可以忽略，得到湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下。

式中，ρ為流體的密度；ui和uj為i方向和j方向上的流速分量；Xi和Xj為坐標(biāo)；t為時(shí)間；Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。湍流粘性系數(shù)μt=ρCμk/ε。在FLUENT軟件中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=1、Cμ=0.09，湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

數(shù)值模擬前后噴嘴出口、輸送管道吸入口的邊界條件為速度邊界?？紤]到流場(chǎng)中回流的存在，前后出流邊界在下游較遠(yuǎn)處，認(rèn)為湍流流動(dòng)達(dá)到相對(duì)平衡。采集頭前后出流邊界設(shè)為壓力邊界。其余結(jié)構(gòu)表面采用無(wú)滑移的壁面條件。

3 采集頭流場(chǎng)數(shù)值模擬與參數(shù)匹配分析

3.1 流場(chǎng)模擬結(jié)果

采集頭內(nèi)部速度較大的部分集中在3個(gè)區(qū)域，分別是前、后排噴嘴射流區(qū)和前后排射流匯聚后的上噴流區(qū)，如圖2所示。其中前后排噴嘴射流速度斜向下，前后排射流匯聚后的上噴流區(qū)速度表現(xiàn)為向上。上噴流區(qū)域的速度從中間向兩邊逐漸遞減，兩側(cè)存在明顯渦旋，這是由于射流速度快，帶動(dòng)射流兩側(cè)水進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，射流到達(dá)底部改變方向，進(jìn)而產(chǎn)生渦旋。

圖2 不同射流角度流場(chǎng)速度分布

多金屬結(jié)核的最大直徑按dp=10 cm計(jì)算，根據(jù)歐根對(duì)液固流態(tài)化臨界速度的研究[19]，計(jì)算得到多金屬結(jié)核被剝離出沉積物的臨界速度為1.3 m/s。以多金屬結(jié)核埋藏在沉積物內(nèi)深度為5 cm計(jì)算，在采集頭前后排噴嘴之間離底5 cm高度上設(shè)置觀測(cè)線。射流的主要作用是破土、剝離和懸浮多金屬結(jié)核，當(dāng)多金屬結(jié)核到達(dá)沉積物上層，輸送管道抽吸起主要作用，結(jié)核被抽吸至輸送管道。對(duì)觀測(cè)線上20個(gè)點(diǎn)的上升速度及合速度分析，上升速度大于金屬結(jié)核被剝離出沉積物的臨界速度的寬度定義為有效作用寬度，上升速度大于金屬結(jié)核被剝離出沉積物的臨界速度區(qū)域定義為有效作用區(qū)。

當(dāng)射流角度為唯一變量，抽吸速度為3 m/s，前射流速度為10 m/s，后射流速度為13 m/s時(shí)，對(duì)比不同射流角度下的流場(chǎng)特征，如圖3所示。隨著射流角度的變化，采集頭流場(chǎng)結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，有效作用寬度和有效作用區(qū)的位置也沒(méi)有明顯變化。射流角度同時(shí)變大或縮小相同的角度，只影響靠近兩排噴嘴位置上的流場(chǎng)速度，原因是射流角度不同，射流流經(jīng)的位置不同。

圖3 不同射流角度離底5 cm高度速度分布

抽吸速度為3 m/s，前射流速度為10 m/s，不同后射流速度的流場(chǎng)特征，如圖4所示。隨著后射流速度增大，采集頭有效作用區(qū)向前、向下移動(dòng)，后射流速度小，射流觸底效果差，無(wú)法起到有效剝離多金屬結(jié)核的作用。抽吸速度和前射流速度一定時(shí)，后射流速度保持在前后射流不產(chǎn)生交錯(cuò)的范圍，后射流速度越大，前后射流的觸底效果越好，對(duì)多金屬結(jié)核的采集效果越好。

圖4 不同后射流速度流場(chǎng)速度分布

對(duì)比不同后射流速度，兩排噴嘴間離底5 cm高度觀測(cè)線上的速度數(shù)據(jù)，如圖5所示。抽吸速度為3 m/s，前射流速度為10 m/s，后射流速度為11 m/s時(shí)，有效作用寬度為0.06 m，此時(shí)后射流不觸底，有效作用區(qū)集中在前射流下方。后射流速度為13 m/s時(shí)，后射流沖擊深度加深，后射流下方出現(xiàn)了有效作用區(qū)，前射流下方的有效作用區(qū)寬度增加了0.03 m。后射流速度為15 m/s時(shí)，前后射流下方的有效作用區(qū)重合，有效作用區(qū)寬度達(dá)到最大。

圖5 不同后射流速度離底5 cm高度速度分布

圖6所示為不同抽吸速度下采集頭內(nèi)部速度云圖，當(dāng)射流角度為70°時(shí)，抽吸速度越大，前后射流匯聚后上噴流區(qū)域?qū)挾仍綄?，前后射流沖擊沉積物的深度越淺。前后射流在到達(dá)結(jié)核底部后會(huì)產(chǎn)生逆流，抽吸速度越大，逆流越弱。隨著抽吸速度的增大，前后射流在底面沖擊點(diǎn)之間的間距越來(lái)越大。

圖6 70°射流速度分布

3 m/s速度抽吸時(shí)，射流匯聚后的有效作用寬度為0.18 m；以4 m/s速度抽吸，射流匯聚后的有效作用寬度為0.2 m；以5 m/s速度抽吸，射流匯聚后的有效作用寬度為0.22 m，如圖7所示。在有效作用寬度區(qū)域內(nèi)，采集頭內(nèi)向上速度與合速度相差較小。在有效寬度區(qū)域外，采集頭內(nèi)向上速度與合速度相差較大，說(shuō)明在有效寬度內(nèi)，采集頭內(nèi)部流體速度以向上為主。

圖7 70°射流離底5 cm高度上速度分布

3.2 流場(chǎng)參數(shù)匹配分析

流體在有效作用區(qū)內(nèi)上升速度盡可能大，這樣多金屬結(jié)核能具備足夠的上升動(dòng)力。在該前提下，有效作用區(qū)內(nèi)上升速度的波動(dòng)還需要盡可能小，結(jié)核一旦被剝離和抬升，如果沒(méi)有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)速度，結(jié)核在采集頭的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，有可能在速度較小的地方下沉。在兩排噴嘴之間，離底5 cm、10 cm、18 cm設(shè)置3條觀測(cè)線，每條線上等間距設(shè)置20個(gè)點(diǎn)，綜合所設(shè)計(jì)的15種工況，對(duì)滿(mǎn)足結(jié)核上升條件的有效作用區(qū)內(nèi)的流體上升速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采集頭內(nèi)流體上升速度的大小用滿(mǎn)足結(jié)核上升條件的點(diǎn)的平均速度來(lái)衡量，速度均勻程度用速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)進(jìn)行衡量[20]，結(jié)果如表3所示。

表3 不同射流角度有效作用區(qū)內(nèi)上升速度情況

隨著射流角度的增大，采集頭有效作用區(qū)內(nèi)上升速度的平均值呈近似拋物線變化，射流角度為70°時(shí)，有效作用區(qū)內(nèi)上升速度的平均值最大。上升速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨角度的變化逐漸增大。采集頭的較優(yōu)工況應(yīng)滿(mǎn)足流體在有效作用區(qū)內(nèi)上升速度盡可能大這個(gè)首要條件，所以射流角度為70°時(shí)，采集頭流場(chǎng)效果較優(yōu)。

分析3 m/s、4 m/s、5 m/s三個(gè)不同抽吸速度條件下采集頭有效作用區(qū)上升速度的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差變化情況，如表4所示。采集頭有效作用區(qū)內(nèi)上升速度的平均值隨著抽吸速度的增大而增大，速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著抽吸速度的增大而減小。抽吸速度增大，上升速度的大小及其均勻性的變化具有一致性，抽吸速度越大，上升速度越大，速度越均勻。在3 m/s、4 m/s、5 m/s三種抽吸速度情況下，5 m/s的抽吸速度效果最優(yōu)。

表4 不同抽吸速度有效作用區(qū)內(nèi)上升速度情況

以采集頭有效作用區(qū)內(nèi)上升速度的平均值和速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為評(píng)價(jià)內(nèi)容，評(píng)價(jià)不同工況下采集頭的流場(chǎng)效果，前后射流角度為70°，結(jié)核輸送管道抽吸速度為5 m/s時(shí)，采集頭流場(chǎng)效果相對(duì)較好。

4 結(jié)論

本文對(duì)雙排噴嘴多金屬結(jié)核采集頭的幾何參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，用FLUENT軟件結(jié)合流體力學(xué)理論對(duì)多種工況下多金屬結(jié)核采集頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論。

（1）采集頭的內(nèi)部存在一個(gè)有效作用區(qū)，有效作用區(qū)兩側(cè)存在明顯渦旋。前后射流角度相等時(shí)，射流角度變化，對(duì)采集頭流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響不明顯。

（2）前射流速度，后射流速度越大，射流越容易觸底。抽吸速度越大，前后射流匯聚后上噴流區(qū)域?qū)挾仍綄挘昂笊淞髟讲蝗菀椎竭_(dá)結(jié)核底部。

（3）當(dāng)采集頭主要尺寸為前后排噴嘴直徑40 mm、噴嘴離底高度180 mm、噴嘴排距為600 mm時(shí)，前后射流與水平方向呈70°時(shí)，前排噴嘴射流速度10 m/s，后排噴嘴射流速度15 m/s時(shí)，抽吸速度為5 m/s時(shí)，采集頭內(nèi)部流場(chǎng)效果相對(duì)較好。

本研究可加深對(duì)深海多金屬結(jié)核流態(tài)化采集頭集礦機(jī)制的理解，豐富水力集礦研究的分析方法，并為流態(tài)化采集頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)及集礦系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)選取提供參考，為采集頭的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。