基于康達(dá)效應(yīng)的海底集礦裝置流場(chǎng)與集礦特性試驗(yàn)研究

胡經(jīng)朝，趙國(guó)成，肖龍飛

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 2.上海交通大學(xué) 三亞崖州灣深?？萍佳芯吭?，海南 三亞 572024)

為緩解陸地礦產(chǎn)資源供需矛盾，世界各國(guó)紛紛將目光投向深海礦產(chǎn)的勘探開(kāi)發(fā)[1]。目前，具有商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的深海礦產(chǎn)主要包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和硫化物[2]。其中多金屬結(jié)核因富含錳、鈷、鎳、銅等金屬元素，且具有分布廣、豐度高、儲(chǔ)量大等特點(diǎn), 而具有較高的開(kāi)采價(jià)值[1]。

目前，開(kāi)采多金屬結(jié)核的深海采礦系統(tǒng)主要包括水面支持系統(tǒng)、水力提升系統(tǒng)、中繼艙和海底集礦系統(tǒng)。其中，海底集礦系統(tǒng)在海床沉積物表面作業(yè)，直接影響礦石采集率、海床沖刷深度等性能指標(biāo)，最為關(guān)鍵[1]。合理設(shè)計(jì)的集礦頭可在實(shí)現(xiàn)高采集率的同時(shí)，將對(duì)海底環(huán)境的擾動(dòng)降低到最小[3-5]。將多金屬結(jié)核從海床表面剝離的方法主要有4種：機(jī)械采掘式、軸流泵吸揚(yáng)式、雙排噴嘴射流沖采式和基于康達(dá)效應(yīng)的附壁射流吸入式[6]。后三者為水力式集礦方法，相比于機(jī)械式具有可靠性高、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)軸流泵吸揚(yáng)式集礦，趙國(guó)成等[7-9]通過(guò)模型試驗(yàn)和量綱分析，得到了圓球、橢球顆粒受力系數(shù)與離底高度、顆粒偏移角和集礦管水平移動(dòng)速度的關(guān)系。對(duì)雙排噴嘴射流沖采式集礦，Hong等[10]在二維水槽中對(duì)雙排射流沖采式集礦方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到顆粒采集率與射流流量、集礦頭移動(dòng)速度、離底高度等參數(shù)的關(guān)系，分析了底面壓力分布對(duì)礦粒采集率的影響?；诳颠_(dá)效應(yīng)的附壁射流吸入式集礦，通過(guò)向凸曲面壁施加高速切向射流，在近壁面形成高速低壓區(qū)域，利用速度梯度產(chǎn)生的壓力差形成礦粒提升力。該方法可避免水射流對(duì)海底沉積物的直接沖擊，從而降低集礦過(guò)程對(duì)海底環(huán)境的擾動(dòng)，最早被日本研制的深海集礦機(jī)所采用[11]。Yue等[12]對(duì)包含康達(dá)效應(yīng)集礦頭在內(nèi)的3種水力集礦頭的集礦性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和性能比較，發(fā)現(xiàn)康達(dá)效應(yīng)集礦頭在保證較小環(huán)境擾動(dòng)的同時(shí)能保持較高的采集效率；Hu等[13]對(duì)抽吸效應(yīng)和康達(dá)效應(yīng)兩種水力式集礦方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，利用PIV獲得了流場(chǎng)云圖與速度矢量分布；Cho等[14]對(duì)康達(dá)效應(yīng)集礦頭開(kāi)展試驗(yàn)研究，指出射流噴嘴寬度、射流流量、凸曲面壁半徑、離底高度是影響礦粒采集率的主要參數(shù)；Kim等[15]提出了基于可靠性分析的集礦頭性能評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)理論計(jì)算分析了康達(dá)效應(yīng)集礦頭在作業(yè)工況下的可靠性。雖然目前已有不少對(duì)康達(dá)效應(yīng)水力集礦方法的數(shù)值和理論研究，但對(duì)真實(shí)康達(dá)效應(yīng)流場(chǎng)的分布和顆粒物運(yùn)動(dòng)等方面的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。目前的集礦頭測(cè)試多偏工程，很少有在實(shí)驗(yàn)室對(duì)集礦頭模型進(jìn)行集礦性能測(cè)試的方法被公開(kāi)提出。

基于康達(dá)效應(yīng)的水力集礦方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及對(duì)海床表面擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。因此針對(duì)康達(dá)效應(yīng)集礦頭，捕捉礦粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用圖像處理獲取顆粒運(yùn)動(dòng)速度，并基于粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)測(cè)得集礦流場(chǎng)中的流速分布，研究不同射流流量對(duì)礦粒采集率的影響，提出了一系列用于研究集礦頭集礦性能的試驗(yàn)方法，為揭示水力集礦機(jī)制、優(yōu)化設(shè)計(jì)集礦裝置提供參考。這些方法對(duì)基于其他原理的集礦頭模型依然具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值。

1 研究問(wèn)題描述

法國(guó)工程師亨利·康達(dá)發(fā)現(xiàn)，具有一定速度的附壁射流具有緊貼小曲率壁面流動(dòng)的趨勢(shì)[16]。該現(xiàn)象被命名為康達(dá)效應(yīng)，其原理如圖1所示。圖1中，Q、R分別為附壁射流流量和曲面壁的曲率半徑，以曲面壁表面某一點(diǎn)為原點(diǎn)，切向于曲面壁為ζ軸，法向?yàn)棣屋S建立坐標(biāo)系，其中vm為ξ軸上流體質(zhì)點(diǎn)的速度最大值。大部分動(dòng)量集中在射流半寬度范圍b內(nèi)，在ξ=b的位置，流體質(zhì)點(diǎn)速度v=1/2vm。

圖1 康達(dá)效應(yīng)原理

Kim等[15]認(rèn)為集礦頭射流噴嘴寬度w、曲壁曲率半徑R、集礦頭離底高度h等參數(shù)是影響集礦性能的主要參數(shù)，提出基于可靠性設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法；GSR環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告給出了一種基于康達(dá)效應(yīng)集礦頭的幾何結(jié)構(gòu)并對(duì)其集礦性能進(jìn)行數(shù)值仿真[17]。在此基礎(chǔ)上，文中設(shè)計(jì)康達(dá)效應(yīng)集礦頭模型幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中幾何參數(shù)列于表1。

圖2 康達(dá)效應(yīng)集礦頭模型剖面結(jié)構(gòu)

表1 集礦頭主要參數(shù)定義

采用3D打印技術(shù)制作基于康達(dá)效應(yīng)的水力集礦頭模型，材料為光敏樹(shù)脂。集礦頭射流噴嘴形狀為矩形，尺寸為0.3 m×0.002 m，射流方向與凸曲面壁相切，并與水平面成30°傾斜，凸曲面壁附近為PIV測(cè)量區(qū)域。布置在水下的集礦頭模型如圖3所示，以凸曲面壁最低點(diǎn)為原點(diǎn)，水平向左為x軸正方向，豎直向上為z軸正方向。

圖3 集礦頭模型照片

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

集礦性能試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖4所示，包括高透明低鐵玻璃水槽[尺寸為2.5 m×1.5 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)]、康達(dá)效應(yīng)集礦頭、水泵、電磁流量計(jì)、PIV測(cè)量系統(tǒng)、礦物顆粒等。由水泵驅(qū)動(dòng)的流體經(jīng)過(guò)電磁流量計(jì)、限流閥，最終經(jīng)康達(dá)效應(yīng)集礦頭的射流噴嘴沿凸曲面壁切向射出，形成附壁射流，從而產(chǎn)生基于康達(dá)效應(yīng)的集礦流場(chǎng)。試驗(yàn)中，在足夠遠(yuǎn)離集礦頭且未到達(dá)水槽壁面的位置處的流速已經(jīng)接近于0，因此認(rèn)為水槽的邊界效應(yīng)不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。多金屬結(jié)核模型簡(jiǎn)化為密度2 430 kg/m3、直徑20 mm的黑色玻璃球。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

3類試驗(yàn)工況如表2所示。為獲得集礦流場(chǎng)中的流速分布，設(shè)計(jì)第Ⅰ類試驗(yàn)(PIV流場(chǎng)測(cè)量)，測(cè)得流量為5.16×10-3m3/s條件下，集礦流場(chǎng)的速度分布；為獲得集礦過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)第Ⅱ類試驗(yàn)(顆粒軌跡捕獲)，捕捉5種流量下單顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡并對(duì)其速度變化進(jìn)行分析；為獲得Q對(duì)集礦頭集礦能力的影響，設(shè)計(jì)了第Ⅲ類試驗(yàn)(采集率測(cè)量)，獲得了12種不同射流流量下的礦粒采集率。

表2 試驗(yàn)類別與工況

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 集礦流場(chǎng)分布

PIV測(cè)量得到的集礦流場(chǎng)速度分布及流線圖如圖5所示(示蹤粒子粒徑為10 μm)。沿凸曲面壁切向射出的流體質(zhì)點(diǎn)貼靠凸曲面壁流動(dòng)，流線平滑，流體質(zhì)點(diǎn)在靠近凸曲面壁處流速大且沿法線方向速度變化大，而在較遠(yuǎn)處呈現(xiàn)相反的規(guī)律。在x=-30 mm處，流體質(zhì)點(diǎn)速度達(dá)到最大值v=7.1 m/s。

圖5 基于PIV技術(shù)的流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

為定量分析集礦流場(chǎng)速度分布特征，選取圖5(a)中3條縱向(l1、l2、l3)、2條橫向(l4、l5)監(jiān)測(cè)線，分別位于x=30 mm、0、-30 mm，z=-5 mm、-10 mm位置，得到圖6所示的各監(jiān)測(cè)線上的流體質(zhì)點(diǎn)速度幅值分布。由圖6(a)可見(jiàn)，在3條豎直監(jiān)測(cè)線上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度幅值隨其到凸曲面壁的垂向距離|z|增大而減小。值得注意的是，l1、l2、l3與射流噴嘴的距離依次減小，而|z|-v曲線斜率的絕對(duì)值依次減小，這表明越靠近噴嘴的位置速度梯度越大。圖6(b)所示為水平檢測(cè)線(l4、l5)處流體質(zhì)點(diǎn)的速度幅值分布，其中l(wèi)4上的流體質(zhì)點(diǎn)速度幅值隨x的增加先增大后減小，在x=-8 mm處達(dá)到最大值v=3.1 m/s，并與l5上相同x處的流體質(zhì)點(diǎn)速度差值達(dá)到最大。

圖6 流體質(zhì)點(diǎn)沿豎直和水平監(jiān)測(cè)線的速度幅值變化

3.2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

使用高速攝像機(jī)捕捉礦粒運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)圖像處理獲得運(yùn)動(dòng)速度。選取5種(2.39×10-3m3/s≤Q≤5.53×10-3m3/s)不同大小射流流量進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在3組較大流量的工況中，顆粒有較大概率被提升至集礦頭內(nèi)，而在另外兩種流量下，顆粒被采集的概率較低。因此，選取較大流量下顆粒被采集的運(yùn)動(dòng)軌跡和較小流量下顆粒未能被采集的片段作為各流量下的典型運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行分析。

隨著流量Q不斷增加，試驗(yàn)中可見(jiàn)顆粒呈現(xiàn)出5種典型運(yùn)動(dòng)形態(tài)，如圖7所示。

圖7 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7(a)為Q=2.39×10-3m3/s時(shí)的顆粒軌跡形態(tài)，顆粒在離開(kāi)底面少量距離后，因受到的垂向提升力不足又回落到底面并穿過(guò)集礦頭，未被采集；圖7(b)為Q=3.11×10-3m3/s時(shí)的顆粒軌跡，可以看到顆粒在凸曲面壁最低點(diǎn)附近起動(dòng)，在與集礦頭碰撞后回落到底面，仍未被采集；圖7(c)所示的顆粒在集礦過(guò)程中未與集礦頭凸曲面壁碰撞，并被成功采集；圖7(d)和7(e)中，顆粒在較大的射流流量作用下被成功采集，但在起動(dòng)過(guò)程中與凸曲面壁發(fā)生碰撞。通過(guò)分析這5種顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡形態(tài)，發(fā)現(xiàn)Q的增加不僅會(huì)決定顆粒是否能夠被采集，還會(huì)影響顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡形態(tài)。在合適的射流流量Q下，顆粒可以在無(wú)碰撞下被成功采集，從而避免可能因碰撞導(dǎo)致的顆粒軌跡交錯(cuò)、采集率下降、集礦頭堵塞、凸曲面壁結(jié)構(gòu)受損等情況發(fā)生。

顆粒在集礦過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度變化如圖8所示。隨著Q的增大，顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度Vx和垂向運(yùn)動(dòng)速度Vz的最大值均有增大的趨勢(shì)。顆粒均以約0.45 m/s的速度水平進(jìn)入集礦流場(chǎng)，然后水平速度快速增大。垂向運(yùn)動(dòng)速度反映出不同流量下顆粒起動(dòng)快慢的不同，在Q較大的兩個(gè)工況中(Q=5.53×10-3m3/s和Q=5.39×10-3m3/s)，顆粒垂向起動(dòng)相比于其他3種較小流量工況中顆粒的起動(dòng)提前發(fā)生0.1～0.2 s，顆粒臨界垂向起動(dòng)位置也更靠近布置于集礦頭前緣的射流噴嘴處。

圖8 5種不同流量下顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線

3.3 采集率—射流流量曲線

為得到流量Q對(duì)顆粒采集率η的影響，試驗(yàn)測(cè)得2.39×10-3～5.53×10-3m3/s共12種不同射流流量下η的變化。在每個(gè)流量Q下，從滑道相同高度處釋放100個(gè)直徑20 mm的黑色顆粒，使其帶一定初速度進(jìn)入集礦頭底部并記錄集礦頭采集到的顆粒數(shù)量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同流量Q對(duì)采集率η的影響

試驗(yàn)表明，當(dāng)流量過(guò)小，即Q≤2.39×10-3m3/s時(shí)，顆粒采集率接近于0；當(dāng)2.39×10-3m3/s

4 結(jié) 語(yǔ)

研究探索了康達(dá)效應(yīng)集礦頭的研究方法，利用多種方法直觀反映了康達(dá)效應(yīng)集礦頭的集礦表現(xiàn)，得到結(jié)論如下：

1)通過(guò)PIV測(cè)量得到集礦流場(chǎng)速度分布，發(fā)現(xiàn)流線層次分明無(wú)大尺度漩渦，靠近壁面處的流速和速度梯度均較大，遠(yuǎn)離凸曲面壁則流速小且幅值變化不明顯。

2)在試驗(yàn)中采用高速攝像和圖像識(shí)別技術(shù)，可準(zhǔn)確跟蹤測(cè)量顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和速度。隨著流量增大，顆粒運(yùn)動(dòng)速度增大，起動(dòng)位置提前，當(dāng)流量Q較大時(shí)，顆粒將會(huì)更快起動(dòng)并在集礦流場(chǎng)的作用下得到提升。

3)隨著射流噴嘴流量增大，顆粒采集率變化可劃分為增長(zhǎng)區(qū)、緩變區(qū)和躍升區(qū)，分別在流量為2.39×10-3～3.50×10-3m3/s范圍隨流量增大近似線性增加，在流量為3.50×10-3～5.31×10-3m3/s時(shí)保持穩(wěn)定，采集率為約45%，在流量為5.31×10-3～5.53×10-3m3/s時(shí)隨流量增大而急劇上升，最終采集率接近90%。值得注意的是，若考慮真實(shí)集礦環(huán)境底質(zhì)的存在，不同采集率所對(duì)應(yīng)的流量范圍將發(fā)生變化。

未來(lái)的集礦頭設(shè)計(jì)將盡最大可能遵循BAT原則[18-19]，即“best available technology”，這對(duì)集礦頭的集礦性能提出了綜合性的要求，即在保證盡可能小的環(huán)境擾動(dòng)的同時(shí)，將采集率維持在一個(gè)較高水平。采集率指標(biāo)與集礦頭本身的各項(xiàng)參數(shù)密切相關(guān)，例如曲面壁曲率、射流流量、射流噴嘴傾斜角度、集礦高度等參數(shù)都有可能對(duì)集礦表現(xiàn)產(chǎn)生較大影響。研究可加深對(duì)基于康達(dá)效應(yīng)集礦機(jī)制的理解，豐富水力集礦試驗(yàn)方法，并為水力集礦頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)及集礦系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)選取提供參考。