多金属结核水力集矿机构离地高度控制研究

为保证多金属结核水力集矿机构有较高采集率与采集能力,分析了影响水力集矿机构离地高度变化的因素,介绍了离地高度测量机构与调整机构,并且给出了离地高度的控制策略。通过"鲲龙500"多金属结核集矿车500 m海试,验证了离地高度测量机构、离地高度调整机构及控制策略能够自适应调整水力集矿机构离地高度,满足采集工艺的要求。

深海水力集矿球形颗粒受力特性试验研究

深海采矿一般采用水力集矿方式将海床表层的矿石颗粒采集到集矿机内,圆球矿石颗粒在集矿流场中的受力特性研究是集矿系统的设计基础.通过在实验室设计并搭建水力集矿试验系统,研究不同集矿头离底高度与矿粒直径比(h/d)、集矿头与矿粒底部端点之间的偏转角度(θ)、不同集矿头拖曳速度(vt)对球形矿粒在集矿流场中的垂向受力系数(Cvs)及径向受力系数(Crs)的影响.研究结果表明:Cvs随h/d的增加呈显著的指数关系减小;垂向力预测公式预报的矿粒垂向受力误差小于10%;当θ=20°时,Cvs达到快速衰减转折点;Cvs和Crs的最大值随着vt的增加有增大的趋势,且当θ=35°或θ=40°时,Crs达到最大值.研究结果可为深海采矿水力集矿系统的设计及矿粒精准开采的实施提供一定的参考依据.

椭球粗颗粒在深海水力集矿流场中受力特性试验研究

多金属结核等海洋矿产资源的开采技术正受到国内外学者越来越多的关注,研究不同形状矿粒在水力集矿流场中的受力特性是实现结核精准开采的前提。通过搭建水力集矿试验系统,针对椭球形状矿粒,研究集矿头拖曳速度vt、矿粒长短径比a/b以及集矿头与矿粒底部端点之间的偏移角θ对矿粒垂向受力Fv、水平受力Fr及受力系数Cfr、Cfv的影响。研究发现:矿粒垂向和水平受力的最大值均随集矿头拖曳速度的增加而增大,并随a/b的增加呈线性增大;垂向和水平受力系数的最大值也随a/b的增加而增大;当|θ|>45°时,水平受力系数随|θ|的增加而减小,并总是在35°<|θ|<45°区间内达到最大值。研究结果可为高效、环境友好型集矿技术的探索提供参考。

深海采矿循环式水力集矿系统设计与数值研究

为使深海采矿作业更为高效、环保,提出了一种用于深海采矿的循环式水力集矿系统设计方案。该系统主要由集矿头、矿—沙分离器、水—沙分离器、水泵以及连接各部件的管道组成。采用基于欧拉法的液固两相流计算模型对该系统的关键问题,即矿—沙分离器和水—沙分离器的泥沙颗粒流动进行数值研究。相间拖曳力采用Richardson-Zaki模型。液相与固相湍流分别采用标准k-ε模型和Tchen湍流响应模型。该模型经验证对于直径0.165 mm与0.27 mm细颗粒具有较高精度。利用该模型,以0.165 mm泥沙颗粒为例,得到了两种分离器的分离效果与入口流速之间的规律,分析了两者颗粒浓度分布与流场特征。结果表明,两种分离器的性能均与入口流速有关,在选取适当入口条件时均可取得良好效果。

康达效应式水力集矿对深海土的冲蚀特性研究

深海赋藏有丰富的矿产资源,金属锰结核的开采与利用可有效解决陆地资源匮乏的问题,因而受到世界多国的广泛关注.康达效应式水射流作为主流多金属开采方式之一,其与深海稀软底质的耦合机理尚未明晰,严重影响采集头性能优化.本文基于数值模拟和物理模型试验探究该采集方式下喷嘴高度、射流流速、导流板曲率三因素对破土水力强度的影响规律及冲蚀坑型变化规律,明晰康达效应水力集矿对深海土的冲蚀特性,进而得到试验范围内破土水力强度最优时所对应的射流参数组合.试验结果表明:冲蚀坑整体呈现椭圆状,且总体位置偏射流区域中心靠左侧;剖面轮廓为“U”形;坑底土体呈不规则凸起或凹进.喷嘴高度对破土水力强度的影响规律呈先增高后降低的趋势,射流流速与破土水力强度呈正相关,而导流板曲率对破土水力强度呈负相关.本文试验范围内,破土水力强度最高时所对应的射流参数组合为射流速度5.31 m/s、喷嘴高度60 mm、导流板曲率0.010 mm^(-1).以上研究可为揭示射流破土机理及矿石剥离机理提供理论参考.

海底多金属结核水力式集矿系统产生的污泥浓度分析

研究了海底多金属结核水力式集矿系统在不同工况条件下产生的污泥浓度。结果表明,海底多金属结核水力式集矿系统中输送系统脱泥排放产生的污泥浓度远高于捕捉系统扰动底质淤泥产生的污泥浓度,是产生水体浑浊的主要原因之一。试验过程中污泥浓度变化曲线呈现先迅速上升后快速下降的变化趋势,随着捕捉系统水泵油压增大,污泥浓度增大;输送系统水泵油压对污泥浓度影响不明显。

基于竖轴漩涡水动力特性的海底矿粒采集方法试验研究

随着新能源等新兴产业的高速发展,金属矿产资源需求激增,国内外争相发展深海采矿技术。基于竖轴漩涡的水动力特性,设计了一种带有4个切向射流喷嘴的吸盘式水力集矿装置,提出应用切向射流在集矿装置内诱导生成竖轴漩涡的新集矿方法。开展水力集矿模型试验,研究竖轴漩涡集矿流场流速分布特征;分析低、中、高3种旋流度流态下,集矿流量对矿粒运动轨迹和采集率的影响。结果表明:矿粒起动轨迹随着旋流度的增加,逐渐从混乱无序转向明显的圆周运动;在特定集矿流态下,矿粒采集率随集矿流量的增加不断提高;当矿粒采集率超过90%时,集矿流量需求随着旋流度的增加而减小。通过采矿车原理样机水池测试,初步验证了集矿装置的集矿性能,可为集矿装备的设计研发与论证提供借鉴。

深海采矿水力式集矿模型机

介绍了一种用于深海采矿的全水力集矿机，该机由ＣＲＩＭＭ型水力集矿机构和大高度近似渐开线环形橡胶履带行走底盘组成，具有结构紧凑、参数合理、工作可靠、运行平稳、性能指标高等特点。

水力式集矿机构注水软管变形阻力矩分析

基于液体压缩体积模量和二重直梁简化模型对多金属结核水力式集矿机构中连接水泵和集矿头的软管变形阻力矩进行了力学分析,提出了变形阻力矩计算方法,给出了变形阻力矩和集矿头纵向位移的幂函数关系。结果表明,在纵向位移0.5 m时,3根软管的变形阻力矩为31462 N·m。计算方法已成功应用于集矿机试验。

基于康达效应的海底集矿装置流场与集矿特性试验研究

海底集矿作为深海矿产资源开发的核心技术之一,直接影响到矿石采集效率和海底沉积物受扰动程度。基于康达效应的水力集矿装置因具有结构简单、可靠性高及对海床扰动小等优点,受到广泛关注。针对基于康达效应的水力集矿头模型进行3种类型的试验研究:1)利用粒子图像测速(PIV)技术测得集矿流场速度分布,试验发现流体质点在靠近凸曲面壁处流速和沿法线速度梯度较大,而远离凸曲面壁处则相反;2)通过高速摄像和图像处理获得球形矿粒运动轨迹和速度,试验发现了不同射流流速下5种典型矿粒运动形态;3)分析了射流流量对矿粒采集率的影响,试验得到了颗粒采集率关于射流流量的变化曲线,并根据变化特征划分为增长区、缓变区和跃升区。研究可为新式集矿装置的优化设计与性能分析提供参考。