海底矿石颗粒水力采集运动特性研究

近年来，深海采矿技术及装备的研发引起了众多学者的重视。因对水力采集方式中矿石颗粒附近旋涡流场的认识不够，导致颗粒采集效率低。本文采用欧拉–拉格朗日固液两相计算方法，结合重叠网格方法，对球形矿石颗粒在垂直管道抽吸作用下的启动特性开展数值模拟研究，分析了尾流和涡结构随颗粒运动的变化规律，得出颗粒直径为40 mm，集矿高度为0.07 m的典型集矿工况下颗粒启动的临界速度和临界提升力。本文发现颗粒进入采集口后，颗粒的阻力系数C_d和颗粒雷诺数Re_p达到峰值，随后趋于平稳。颗粒尾流和旋涡随采集逐渐演化发展，且颗粒所受垂直力在平均值附近呈现出振荡特性是由颗粒尾涡的分离点靠近圆球顶部导致。研究结果可为水力集矿系统的设计提供参考。