深海多金屬硫化物集礦罩的流場分析和參數(shù)優(yōu)化

劉少軍，胡建華，戴瑜，胡瓊，呂彤

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深海多金屬硫化物集礦罩的流場分析和參數(shù)優(yōu)化

劉少軍1, 2, 3，胡建華1, 2, 3，戴瑜1, 2, 3，胡瓊1, 2, 3，呂彤1, 2

(1. 中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙，410083；2. 長沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室，湖南長沙，410012；3. 中南大學(xué)深圳研究院，廣東深圳，518000)

在1種新的深海多金屬硫化物開采設(shè)備的基礎(chǔ)上，以雙螺旋滾筒采集罩下的流體為研究對象，針對硫化物采集過程中可能形成的復(fù)雜多相流以及可能造成對周圍海域生態(tài)環(huán)境污染等問題，采用Fluent的Coupled SIMPLE 算法及RNG?湍流模型對流場進行仿真計算和分析比較，并且對多個物理參數(shù)，如2個滾筒之間的中心距、滾筒的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向、礦物的堆積高度、礦物的顆粒直徑和抽吸速度等進行優(yōu)化。研究結(jié)果表明：為了達到最優(yōu)的抽吸效果，2個滾筒中心距有最優(yōu)值；海水入口處的速度不是越大越好，當(dāng)海水入口處速度達到2 m/s后，再增加海水速度對縮短抽吸時間的效果不明顯；2個滾筒相向運動對縮短抽吸時間效果明顯；減少礦物粒徑對縮短抽吸時間效果不明顯。

深海多金屬硫化物；固?液兩相流；參數(shù)優(yōu)化

由于陸地礦產(chǎn)資源有限，世界發(fā)達國家都開始關(guān)注海洋資源。近幾十年來，人們發(fā)現(xiàn)了多種可供開發(fā)的深海礦產(chǎn)資源，但在開采過程中可能產(chǎn)生的環(huán)境問題也引起了國際社會的廣泛關(guān)注。由于發(fā)生在國際海底的多金屬硫化物開采必須在國際法約束下進行，必然會受到極為苛刻的國際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的限制。在采集過程中既要降低開發(fā)成本，盡可能提高產(chǎn)量，又要盡可能避免采集裝置的擾動對周圍海域生態(tài)環(huán)境的影響，抑制污水向外形成濁流。針對這一要求，劉少軍[1]提出了一種新型雙螺旋滾筒切削采集裝置，有望成為我國深海多金屬硫化物開采的參考原型。為達到環(huán)保和經(jīng)濟的要求，對該采集設(shè)備進行流場仿真分析并設(shè)計相關(guān)樣機進行試驗對于我國深海多金屬硫化物開發(fā)和研究具有重大意義。雙螺旋滾筒采集罩下的流場屬于一種復(fù)雜而特別的固?液兩相流，在切削過程中不斷產(chǎn)生新的固體礦物，這與普通的固?液兩相流不同。深海多金屬硫化物的開采受到設(shè)備和成本等多方面的條件限制。隨著固?液兩相流理論及計算機技術(shù)的日趨成熟，利用CFD計算流體力學(xué)模擬的方法研究固?液兩相流的流動規(guī)律已經(jīng)成為當(dāng)前研究多相流的主要方法。Fluent作為目前國際上應(yīng)用最廣的CFD軟件之一，在固?液兩相流研究方面應(yīng)用廣泛[2]。徐海良等[3]使用Fluent軟件對深海采礦儲料罐輸送設(shè)備內(nèi)固?液兩相流進行了數(shù)值分析和計算，分析了錳結(jié)核顆粒粒徑、儲料罐內(nèi)礦石堆積高度和入口速度對礦石輸送濃度的影響。施衛(wèi)東等[4]使用固?液兩相流理論研究了軸流泵的內(nèi)部流場分布規(guī)律。周昌靜等[5]分析了葉片圓盤泵固?液兩相流運動規(guī)律，研究表明固相顆粒主要集中在無液區(qū)。張海軍等[6]提出了一種新型輸送設(shè)備以及研究設(shè)備內(nèi)部的固?液兩相流運動規(guī)律，認為液體漩渦多靠近葉片工作面，其方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，葉輪內(nèi)各流道壓力分布較均勻。吳迪等[7]運用Fluent對充填管道內(nèi)的料漿自流輸送問題進行了數(shù)值模擬，分析了管道輸送的阻力損失和彎管的受力情況，獲得了料漿輸送的最佳濃度和流量。陳林等[8]研究了混凝土噴射機S管道固液兩相流特性規(guī)律，通過實驗和模擬數(shù)據(jù)對比，證明了模型的通用性。本文作者采用Fluent軟件對深海多金屬硫化物采集罩下的流場進行仿真分析，對與采集罩相關(guān)的多個待優(yōu)化的參數(shù)進行分析與比較。

1 采集裝置結(jié)構(gòu)

圖1所示為深海多金屬硫化物雙螺旋滾筒采集裝置結(jié)構(gòu)圖。采集裝置的原理為：通過底部2個螺旋滾筒對深海多金屬硫化物進行切削破碎，借助螺旋滾筒的相向旋轉(zhuǎn)和水流的作用將礦石碎片送至2個采礦頭中間的集礦口附近，從而抑制了較小切削碎片向外擴散形成濁流，通過控制抽吸泵抽吸海水提升多金屬硫化物碎片到儲礦倉。螺旋滾筒轉(zhuǎn)速及其中心距可自行調(diào)節(jié)。

圖1 采集裝置示意圖

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

深海多金屬硫化物雙螺旋滾筒采集裝置的模型特別復(fù)雜，并不具備良好的二維對稱性，根據(jù)這一特點，建立1個三維模型圖，如圖2所示。圖2中：0為出口處直徑；1為2個滾筒間中心距，其值可調(diào)；2為采集罩橫向長度；3為采集罩邊緣離開地面的距離；4為采集罩縱向長度；為滾筒直徑；為截齒高度。具體參數(shù)見表1。

在仿真之前對其結(jié)構(gòu)進行簡化，將采集罩向下延伸到地面，從而形成1個封閉的腔體。簡化后計算模型圖如圖3所示。

圖2 采集裝置三維示意圖

表1 采集裝備主要默認參數(shù)

圖3采集裝置三維簡化計算模型圖

將上述模型導(dǎo)入Gambit后，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm，共劃分形成網(wǎng)格811 657個，網(wǎng)格模型圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格模型圖

3 數(shù)學(xué)模型和仿真參數(shù)的設(shè)置

3.1 控制方程

考慮到固?液兩相之間的互相作用不可避免，固相粒徑不等，固?液兩相存在著不同的運動速度，且顆粒初始分布為堆積狀，所以，采用雙歐拉模型進行計算，將硫化物碎片作為擬流體來處理。

3.1.1 液相連續(xù)性方程

3.1.2固相連續(xù)性方程

(2)

3.2 求解模型的建立

3.2.1 求解方法及方程的選擇

該流體計算模型選擇基于壓力的非穩(wěn)態(tài)求解方法，雷諾數(shù)求解公式為[9]

3.2.2 多相流設(shè)置

在多相流模型中選擇Eulerian(歐拉)模型，相數(shù)為2。自定義固相材料為“multi_sulfide”，設(shè)置基本相為液相“seawater”，第2相為固相“multi_sulfide”，設(shè)置其顆粒直徑為固定值。

3.3 邊界條件及仿真優(yōu)化數(shù)值設(shè)定

1) 初始條件：海水充滿整個采集罩內(nèi)部，采集罩下部2個滾筒之間約有100 mm厚的硫化物碎塊堆積。為了節(jié)省抽吸的能量，當(dāng)硫化物碎塊堆積達到一定厚度后才進行抽吸。

2) 海水進口邊界條件：假設(shè)采集罩外側(cè)到滾筒之間空隙封閉，2個滾筒之間的空隙為海水入口，抽吸入口處的速度決定了出口處的速度，它們之間存在線性關(guān)系。另外給出湍動能、耗散率的預(yù)估值。

3) 多金屬硫化物進口邊界條件：在采礦過程中，多金屬硫化物不斷增加，在滾筒下面定義了2個多金屬硫化物進口，進口的速度由采礦車的前進速度、滾筒的轉(zhuǎn)動速度和截齒的高度等因素共同決定。

4) 出口邊界條件：采用自由出流條件，進入的海水和多金屬硫化物都從上面的5個出口流出。

5) 壁面邊界條件：定義3個壁面，其中2個是滾筒的外表面，它們的運動是復(fù)合運動，既向前移動，又繞軸轉(zhuǎn)動；余下的1個壁面是采集罩內(nèi)壁，在開采過程中它以一定的速度向前移動。

6) 抽吸完成狀態(tài)的定義：定義當(dāng)采集罩內(nèi)固相體積分數(shù)的最大值小于2%時，為抽吸完成。

7) 關(guān)鍵參數(shù)：海水入口面積為0.9 m2，出口面積為0.157 m2，硫化物補充速度為0.05 m/s，硫化物入口面積為0.05 m2等。

8) 優(yōu)化目標(biāo)：縮短抽吸時間、減少抽水量和提高礦物抽吸平均濃度。該設(shè)備的優(yōu)化目標(biāo)是：平均抽吸體積分數(shù)5%以上，抽吸時間為2~3 s。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 多金屬硫化物采集罩固相流場分析

在采集罩物理參數(shù)保持默認的情況下(見表1)，假設(shè)硫化物堆積高度為100 mm，設(shè)定入口處的海水速度為2 m/s，礦物的粒度為10 mm，計算罩內(nèi)抽吸兩相流，計算過程和結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出整個抽吸過程約需2 s。

4.2 礦物碎塊的堆積高度與達到抽吸完成狀態(tài)所需時間之間的關(guān)系

其他條件保持不變，確定開始新一輪抽吸工作時所需的硫化物堆積高度。若硫化物堆積高度不夠就開始抽吸，則抽吸口的濃度達不到設(shè)計的要求。當(dāng)?shù)V物堆積高度為25，50，100，150和200 mm時，抽吸時間分別為1.7，1.8，2.0，2.2和2.6 s。

因為抽吸口的面積和速度是固定的，抽吸時間與用水量呈線性正比關(guān)系。由表2可知：當(dāng)堆積礦物厚度為25~200 mm時，需要的時間都為2 s左右，可見堆積的礦石越多，抽吸所用的單位能耗越低，但若礦物堆積太多，則會嚴重影響切削。考慮到截齒的高度和礦物粒徑等因素，設(shè)定當(dāng)?shù)V物堆積達到50~100 mm之間時開始新一輪抽吸。

4.3 2個滾筒之間的中心距與達到抽吸完成狀態(tài)所需時間之間的關(guān)系

其他條件(包括堆積礦物量)保持不變，中心距在750~950 mm之間變動，分析中心距與抽吸完成時間之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：中心距不是越短越好，中心距太短，會造成固體礦物阻塞；中心距太寬，就會造成空間浪費，無法形成強大的固?液兩相流提升固體硫化物；當(dāng)中心距為750~850 mm時，抽吸完成時間變化不大；當(dāng)中心距為850~950 mm時，抽吸時間逐漸增大。在選擇中心距時，既要考慮中心距不能太小，避免造成礦物阻塞，又要保證抽吸時間較短，故選擇中心距800~900 mm為宜。

4.4 海水入口處的速度與達到抽吸完成狀態(tài)所需時間之間的關(guān)系

同理，固定其他條件不變，改變?nèi)肟谔幍乃魉俣龋ㄟ^仿真計算，所得結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：當(dāng)水流速度增大時，到達抽吸完成狀態(tài)的時間變短，但并不是入口處速度越大越好，既要保證時間較短，又需要確保單位能耗較低；當(dāng)入口海水速度大于2 m/s時，增加海水速度對縮短抽吸時間的效果不明顯。若不斷增加速度，只能以降低抽吸口的體積分數(shù)為代價，相當(dāng)于抽了很多的海水，浪費了大量的能量。入口處的速度可以轉(zhuǎn)化為抽吸口的速度，在抽吸過程中，可以不停地監(jiān)測抽吸口的濃度來調(diào)節(jié)抽吸口的海水速度，間接地調(diào)節(jié)了海水入口處的速度。入口海水速度有1個最優(yōu)值，這個最優(yōu)值要根據(jù)多個因素來確定。根據(jù)上面分析，將海水入口處的最優(yōu)速度暫定為2 m/s。

時間/s：(a) 0；(b) 0.4；(c) 0.8；(d) 1.2；(e) 1.6；( f ) 2.0(體積分數(shù)φ=0)

圖6 滾筒空隙與抽吸時間之間的關(guān)系

圖7 入口處速度與抽吸時間之間的關(guān)系

4.5 滾筒方向和轉(zhuǎn)速與達到抽吸完成狀態(tài)所需時間之間的關(guān)系

假設(shè)其他條件不變，2個滾筒相向運動為正，相背運動為負，相向和相背運動見圖2，運動范圍為?20~20 rad/s。通過模擬計算，分析轉(zhuǎn)動對抽吸時間的影響，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：雙滾筒相背運動和相向運動都有利于抽吸，相向運動在更短的時間內(nèi)完成抽吸。然而，在滾筒不轉(zhuǎn)動情況下，所需要的抽吸時間最長。

圖8 轉(zhuǎn)速與抽吸時間的關(guān)系

4.6 礦物碎塊直徑與達到抽吸完成狀態(tài)所需時間之間的關(guān)系

假設(shè)破碎礦物的粒徑為一固定值，粒徑分別為5，10，15，20，25，30，35，40，45和50 mm，通過模擬計算，得礦物粒徑與抽吸時間之間的關(guān)系見圖9。由圖9可知：礦物粒徑與抽吸時間存在良好的線性關(guān)系，顆粒直徑越大，抽吸時間呈線性增加；曲線變化比較緩慢，礦物直徑與抽吸時間關(guān)系不顯著，說明顆粒粒度變大不會損失過多的能量，但從破碎能量的角度看，破碎的粒徑越小，消耗的能量就會成倍增 加[10?11]。從提升角度看，在不阻塞通道的情況下不需要過多地考慮碎片的粒徑。

圖9 礦物粒徑與達到平衡時間之間的關(guān)系

5 分析和計算

在默認設(shè)備各個物理參數(shù)時，海水入口處的面積為0.9 m2，入口處的海水速度為2 m/s，礦物堆積高度為100 mm，2個滾筒中心距為900 mm，抽吸時間為2 s，礦物顆粒直徑為10 mm，海水密度=1.025 t/m3，l=2×2×0.9=3.6 m3，硫化物密度2.960 t/m3，s=0.9×0.1×1=0.09 m3，可以計算出達到抽吸完成狀態(tài)時，=3.69 t；= 0.266 t；體積分數(shù)為6.72%。

考慮到抽吸過程中還在不斷切削，硫化物還不斷增加，抽吸的平均體積分數(shù)約為7%，達到了優(yōu)化目標(biāo)。

6 結(jié)論

1) 雙滾筒采集罩在各項參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從開始抽吸到2 s內(nèi)達到抽吸完成狀態(tài)。

2) 在其他參數(shù)默認情況下，2個滾筒之間的中心距在800~900 mm之間為較優(yōu)。

3) 海水入口處的速度不是越大越好，當(dāng)海水入口處速度大于2 m/s時，增加海水速度對縮短抽吸時間的效果不明顯。

4) 滾筒的方向和轉(zhuǎn)速對縮短抽吸時間有較大效果。總體來說，2個滾筒相向轉(zhuǎn)動有利于抽吸，不轉(zhuǎn)動不利于抽吸。

5) 礦物的粒徑對縮短抽吸時間有一定影響，粒度越大，抽吸時間越長；抽吸的平均體積分數(shù)可達7%左右，達到優(yōu)化目標(biāo)。

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(編輯 陳燦華)

Flow field analysis and parameter optimization of deep-sea collector of SMS

LIU Shaojun1, 2, 3, HU Jianhua1, 2, 3, DAI Yu1, 2, 3, HU Qiong1, 2, 3, Lü Tong1, 2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. State Key Laboratory of Deep Sea Mineral Resources Development and Utilization Technology, Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy, Changsha 410012, China;3. Shenzhen Research Institute of Central South University, Shenzhen 518000, China)

On the basis of a new deep-sea polymetallic sulfide mining device, the fluid under the double spiral drum collecting hood was used to study the complex multiphase flow which may be formed during the sulfide collection process and the possible impact on the surrounding marine environment pollution and other issues, coupled SIMPLE algorithm and RNG?turbulence model of the CFD software Fluent were used to simulate and analyze, a number of physical parameters were chosen for optimization, such as the center distance between two spiral drums, drum speed, rotation direction, mineral accumulation height, the ore diameter, pumping velocity and so on. The results show that the distance of two drums has the optimum value to reach the optimal pumping effect. Seawater at the entrance of the speed is not the faster the better, when the speed reaches 2 m/s, shortening the pumping time effect is not obvious. The opposite direction of drums can reduce the time of pumping. Mineral particle size also has slight impact on pumping time.

seafloor massive sulfide; solid-liquid two phase flow; parameter optimization

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.011

P744；TD807

A

1672?7207(2017)05?1198?06

2016?06?11；

2016?08?15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51074179)；深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)研究項目(JCYJ20130401160614378) (Project(51074179) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(JCYJ20130401160614378) supported by Science and Technology Innovation Basic Research Foundation of Shenzhen Municipality)

胡建華，博士，從事深海采礦研究；E-mail: hujianhua2008@hotmail.com