深海多金属结核流态化采集头流场参数匹配
时间：2023-02-24 08:35:08 来源：千叶帆 本文已影响人
张东宽，官 雷，曹华德，夏建新
（1.中央民族大学环境系，北京 100081；
2.中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083）
深海多金属结核资源是我国未来可持续发展的战略保障，开发深海资源已成为必然选择。我国关于深海多金属结核采集技术的研究还不够成熟，采集头参数匹配不合理，导致采集效率低，试验中屡出问题。本文针对多金属结核流态化采集头流场进行数值模拟，开展采集头参数及其匹配的研究，为采集头的进一步设计提供科学依据。
采集头是开采深海多金属结核的关键设备，国内外学者先后提出了机械式、水力式两种采集方式，但机械式采集头容易被较大的矿石卡住，机械组件很容易出现故障，可靠性难以保证，因此后期的研究者均选用水力式采集[1]，流态化采集头就是利用水力采集方式在前后水射流作用下将多金属结核矿石转为流态化采集的设备。刘少军等[2]对深海采矿装备发展的可行性及研发模式进行了总结与展望，表明水力式采集方式相对机械式具有更高的采集效率。陈新明等[3]使用双排射流集矿模型机进行了模拟结核矿石采集试验，通过对行进速度、喷嘴参数和射流冲击力的综合分析，认为喷嘴间距为300~700 mm，离结核层高度为100~300 mm区域进行采集较为合适。ZHAO G C等[4]通过量纲分析和实验研究，探讨了球形颗粒的收集机理，在试验中观察到涡流有助于增强吸力的现象，建立了收集性能预测的经验模型。郭文思等[5]采用大涡模拟方法（Large Eddy Simulation，LES）对淹没射流紊动流场进行数值模拟，研究表明淹没射流流场具有很强的紊动性和随机性，射流主体上固定点的速度和压力大小有显著的负相关关系。ZHANG Y等[6]通过一系列的室内实验，研究了提升粗颗粒的临界抽吸速度，得到了固液两相流的流动特性，给出了预测临界抽吸速度的拟合公式。KIM S等[7]开发了基于康达效应的计算模型，预测了基于康达效应拾取装置的收集效率，优化了基于康达效应的拾取装置的设计。目前关于采集头设计参数的研究成果大都来源于试验，相较真实条件存在不同程度的简化，不同参数的对比研究较少，实验结果需要理论分析结果的支撑，尤其是不同条件下淹没射流流场设计与构建，以及射流喷嘴结构与喷射流速等参数的调整与优化等方面的研究有待进一步深入。
利用理论计算与数值模拟分析为试验参数的优化提供基础，将极大提高试验效率。本文利用FLUENT Meshing的网格优化法建立不同射流角度的采集头模型，借助流体分析软件FLUENT模拟采集头内部水动力特性，分析采集头内部流场特性和参数匹配，得到流场效果相对较好的多金属结核流态化采集头参数。
多金属结核流态化采集头由前后相对的两排喷嘴、导流板、结核输送通道组成，如图1所示。前后两排喷嘴喷出的水流将结核松动、剥离、悬浮和抬升，被举升的结核在导流板的引导下将结核引导至输送通道，在输送通道抽吸作用下结核被输送至集矿机的其他部分[8]。前后两排射流对多金属结核的破土、剥离、悬浮起主要作用，多金属结核被悬浮起来后，依靠输送管道的抽吸作用，多金属结核被有效采集。
图1 多金属结核采集车及其流态化采集头
采集头内部流场特性和工作参数的匹配涉及多参数、多极值、非线性系统的优化问题[9]。采用基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）理论的流体分析软件FLUENT对采集头内部进行流场分析。根据雷诺数的大小选择k-ε计算模型，控制方程采用有限体积法二阶微分格式进行离散[10]。因为采集头在前后排喷嘴中心的纵切面一致，采用二维模型对采集头内的流场进行仿真研究，以减少仿真计算量，提高计算速度。网格划分选用高计算精度的四边形网格。
1.1 模型几何参数设计
1.1.1 前后喷嘴离地高度h1和h2
喷嘴应尽可能接近海底，以便获得较高的回采率。但离底高度必须大于结核突出海底的高度，否则，结核可能被推到采集头外，无法进入采集头。原位采样结果表明，结核大小不等，一般直径在5~10 cm之间[11]，大小如土豆，有部分裸露在沉积物上面，还有部分半埋在沉积物中，射流要射到沉积物内部，在数值模拟中将喷嘴离地高度设为h1=h2=180 mm。
1.1.2 喷嘴排距L
水力式集矿是利用水射流将海底沉积物冲开，并将结核从沉积物中剥离、悬浮到一定高度，最后到达吸入口，在抽吸作用下进入输送管，经过输送管到达采矿车上。矿石从沉积物剥离、悬浮、上升到输送管入口需要一段时间，采集头前后排喷嘴之间需要有一定的间距，以保证在此时段矿石仍在采集头内，合理的间距也可以改善流场的均匀稳定性[12]，在数值模拟中将前后排喷嘴的排距设定为L=600 mm。
1.1.3 前后射流角度θ1和θ2
射流角度影响射流对沉积物的力度和深度，必须要保证射流将矿石和沉积物搅动，并使之进入流动状态。比利时全球海洋矿物资源公司（Global Sea Mineral Resources，GSR）采用单排喷嘴射流，主要靠射流的康达效应抬升结核，射流与水平方向夹角采用小角度，在40°~45°[13]。要使前后射流对结核的剥离起主要作用，并且使前后射流不容易产生交错，前后射流与水平夹角的选择需要倾向于大值，但角度并不是越大越好，还需要保证水流在斜向上对结核具有一定的切削力度。
1.1.4 前后射流喷嘴直径d1和d2
射流的有效长度l取决于喷嘴形成射流的直径，根据相关研究，射流的有效距离是喷嘴直径的5~6倍[14]。在有效长度内部，射流的能量相对集中，在这个长度之外，射流能量开始扩散并降低其速度。d1和d2大小由射流距离决定，为保证射流的能量在射向底面过程中相对集中，将喷嘴直径设为d1=d2=40 mm。
1.1.5 输送管道宽度Hs和倾角γ
输送通道主要尺寸为宽度Hs和倾角γ。宽度Hs取决于结核的最大直径，通常等于结核最大直径的2倍，仿真分析时将宽度设为Hs=200 mm。倾角γ为45°，如果角度增加，输送多金属结核消耗的能量会大幅升高[15]。
1.1.6 前后嘴射流速度v1、v2
在双股淹没射流冲击的情形下，射流在底面会发生相互碰撞，并形成上喷流。前、后喷嘴射流速度需要根据射流角度和流场情况进行优化匹配，不能出现射流不触底、前后射流交错情况。在数值模拟时，通过固定前射流速度为v1=10 m/s，调整后喷嘴射流速度v2找到一个合适的速度。
表1所示为多金属结核流态化采集头各项参数情况。
表1 多金属结核流态化采集头基本参数
1.2 数值模拟工况
为了使采集头前后射流均能射到结核底部以下，然后碰撞汇聚成为上喷流[16]，使采集头起到较好的破土、剥离、悬浮、抽吸多金属结核的作用，需要在前期大量模拟基础上对采集头参数进行工况设计，排除射流不能到达结核底部、射流交错等情况。数值模拟发现，当前后双排喷嘴的采集头射流角度小于60°时，前后射流容易产生交错，一侧射流流入输送管道入口，另一侧射流从采集头底部流出。当采集头射流角度大于75°时，对多金属结核的剥离和悬浮作用大幅减弱。因此，将数值模拟工况定在60°~75°之间进行模拟，射流角度变化采取梯度为5°进行分析，前射流速度固定为10 m/s，每一个射流角度分别对应3 m/s、4 m/s、5 m/s的3种抽吸速度和11 m/s、13 m/s、15 m/s的3种后射流速度进行比较分析。数值模拟工况如表2所示。
表2 数值模拟工况参数
计算流体力学是将时间和空间上连续的物理场离散为有限的点，然后通过质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒方程建立这些离散点上相关变量的关系方程组，通过求解方程组得到所有变量的近似解，这种数值模拟方法可以得到流场中各物理量的大小和分布情况，进而得到流场的相关特性[17]。
本文采用标准k-ε湍流模型对采集头内部流场进行分析[18]，假设流动为完全湍流，分子的粘性影响可以忽略，得到湍动能k和耗散率ε方程如下。
式中，ρ为流体的密度；
ui和uj为i方向和j方向上的流速分量；
Xi和Xj为坐标；
t为时间；
Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生；
Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；
YM可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数μt=ρCμk/ε。在FLUENT软件中，作为默认值常数，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=1、Cμ=0.09，湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0，σε=1.3。
数值模拟前后喷嘴出口、输送管道吸入口的边界条件为速度边界。考虑到流场中回流的存在，前后出流边界在下游较远处，认为湍流流动达到相对平衡。采集头前后出流边界设为压力边界。其余结构表面采用无滑移的壁面条件。
3.1 流场模拟结果
采集头内部速度较大的部分集中在3个区域，分别是前、后排喷嘴射流区和前后排射流汇聚后的上喷流区，如图2所示。其中前后排喷嘴射流速度斜向下，前后排射流汇聚后的上喷流区速度表现为向上。上喷流区域的速度从中间向两边逐渐递减，两侧存在明显涡旋，这是由于射流速度快，带动射流两侧水进行运动，射流到达底部改变方向，进而产生涡旋。
图2 不同射流角度流场速度分布
多金属结核的最大直径按dp=10 cm计算，根据欧根对液固流态化临界速度的研究[19]，计算得到多金属结核被剥离出沉积物的临界速度为1.3 m/s。以多金属结核埋藏在沉积物内深度为5 cm计算，在采集头前后排喷嘴之间离底5 cm高度上设置观测线。射流的主要作用是破土、剥离和悬浮多金属结核，当多金属结核到达沉积物上层，输送管道抽吸起主要作用，结核被抽吸至输送管道。对观测线上20个点的上升速度及合速度分析，上升速度大于金属结核被剥离出沉积物的临界速度的宽度定义为有效作用宽度，上升速度大于金属结核被剥离出沉积物的临界速度区域定义为有效作用区。
当射流角度为唯一变量，抽吸速度为3 m/s，前射流速度为10 m/s，后射流速度为13 m/s时，对比不同射流角度下的流场特征，如图3所示。随着射流角度的变化，采集头流场结构未发生明显变化，有效作用宽度和有效作用区的位置也没有明显变化。射流角度同时变大或缩小相同的角度，只影响靠近两排喷嘴位置上的流场速度，原因是射流角度不同，射流流经的位置不同。
图3 不同射流角度离底5 cm高度速度分布
抽吸速度为3 m/s，前射流速度为10 m/s，不同后射流速度的流场特征，如图4所示。随着后射流速度增大，采集头有效作用区向前、向下移动，后射流速度小，射流触底效果差，无法起到有效剥离多金属结核的作用。抽吸速度和前射流速度一定时，后射流速度保持在前后射流不产生交错的范围，后射流速度越大，前后射流的触底效果越好，对多金属结核的采集效果越好。
图4 不同后射流速度流场速度分布
对比不同后射流速度，两排喷嘴间离底5 cm高度观测线上的速度数据，如图5所示。抽吸速度为3 m/s，前射流速度为10 m/s，后射流速度为11 m/s时，有效作用宽度为0.06 m，此时后射流不触底，有效作用区集中在前射流下方。后射流速度为13 m/s时，后射流冲击深度加深，后射流下方出现了有效作用区，前射流下方的有效作用区宽度增加了0.03 m。后射流速度为15 m/s时，前后射流下方的有效作用区重合，有效作用区宽度达到最大。
图5 不同后射流速度离底5 cm高度速度分布
图6所示为不同抽吸速度下采集头内部速度云图，当射流角度为70°时，抽吸速度越大，前后射流汇聚后上喷流区域宽度越宽，前后射流冲击沉积物的深度越浅。前后射流在到达结核底部后会产生逆流，抽吸速度越大，逆流越弱。随着抽吸速度的增大，前后射流在底面冲击点之间的间距越来越大。
图6 70°射流速度分布
3 m/s速度抽吸时，射流汇聚后的有效作用宽度为0.18 m；
以4 m/s速度抽吸，射流汇聚后的有效作用宽度为0.2 m；
以5 m/s速度抽吸，射流汇聚后的有效作用宽度为0.22 m，如图7所示。在有效作用宽度区域内，采集头内向上速度与合速度相差较小。在有效宽度区域外，采集头内向上速度与合速度相差较大，说明在有效宽度内，采集头内部流体速度以向上为主。
图7 70°射流离底5 cm高度上速度分布
3.2 流场参数匹配分析
流体在有效作用区内上升速度尽可能大，这样多金属结核能具备足够的上升动力。在该前提下，有效作用区内上升速度的波动还需要尽可能小，结核一旦被剥离和抬升，如果没有一个相对稳定的流场速度，结核在采集头的无规则运动会加剧，有可能在速度较小的地方下沉。在两排喷嘴之间，离底5 cm、10 cm、18 cm设置3条观测线，每条线上等间距设置20个点，综合所设计的15种工况，对满足结核上升条件的有效作用区内的流体上升速度数据进行处理。采集头内流体上升速度的大小用满足结核上升条件的点的平均速度来衡量，速度均匀程度用速度的相对标准偏差来进行衡量[20]，结果如表3所示。
表3 不同射流角度有效作用区内上升速度情况
随着射流角度的增大，采集头有效作用区内上升速度的平均值呈近似抛物线变化，射流角度为70°时，有效作用区内上升速度的平均值最大。上升速度的相对标准偏差随角度的变化逐渐增大。采集头的较优工况应满足流体在有效作用区内上升速度尽可能大这个首要条件，所以射流角度为70°时，采集头流场效果较优。
分析3 m/s、4 m/s、5 m/s三个不同抽吸速度条件下采集头有效作用区上升速度的平均值和相对标准偏差变化情况，如表4所示。采集头有效作用区内上升速度的平均值随着抽吸速度的增大而增大，速度的相对标准偏差随着抽吸速度的增大而减小。抽吸速度增大，上升速度的大小及其均匀性的变化具有一致性，抽吸速度越大，上升速度越大，速度越均匀。在3 m/s、4 m/s、5 m/s三种抽吸速度情况下，5 m/s的抽吸速度效果最优。
表4 不同抽吸速度有效作用区内上升速度情况
以采集头有效作用区内上升速度的平均值和速度的相对标准偏差为评价内容，评价不同工况下采集头的流场效果，前后射流角度为70°，结核输送管道抽吸速度为5 m/s时，采集头流场效果相对较好。
本文对双排喷嘴多金属结核采集头的几何参数进行了初步设计，用FLUENT软件结合流体力学理论对多种工况下多金属结核采集头内部流场进行数值模拟分析，得到如下结论。
（1）采集头的内部存在一个有效作用区，有效作用区两侧存在明显涡旋。前后射流角度相等时，射流角度变化，对采集头流场结构影响不明显。
（2）前射流速度，后射流速度越大，射流越容易触底。抽吸速度越大，前后射流汇聚后上喷流区域宽度越宽，前后射流越不容易到达结核底部。
（3）当采集头主要尺寸为前后排喷嘴直径40 mm、喷嘴离底高度180 mm、喷嘴排距为600 mm时，前后射流与水平方向呈70°时，前排喷嘴射流速度10 m/s，后排喷嘴射流速度15 m/s时，抽吸速度为5 m/s时，采集头内部流场效果相对较好。
本研究可加深对深海多金属结核流态化采集头集矿机制的理解，丰富水力集矿研究的分析方法，并为流态化采集头的优化设计及集矿系统动力参数选取提供参考，为采集头的进一步设计提供依据。
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