基于均匀分布法的深海采矿泵粗颗粒输运特性研究及其优化设计

针对深海采矿泵粗颗粒输运效率低、预测精度不足的问题，江苏大学团队采用CFD-DEM耦合方法，对比验证均匀分布法(UDM)与体积扩散法(VDM)的适用性，提出轴向/径向颗粒输运能力(APTC/RPTC)评价指标，发现小颗粒(6-8?mm)高浓度下稳定性更优，大颗粒(10?mm)低浓度效率高但加剧磨损，为泵体优化设计提供理论支撑。

　　

深海矿产资源开发被视为缓解陆地资源枯竭的关键途径，其中采矿泵作为核心装备，其粗颗粒(6-10?mm)输运效率直接影响系统稳定性。然而，固液两相流的复杂性导致传统预测方法存在显著误差：现有细胞离散化方法(CBD)因忽略颗粒影响范围而精度不足，且多颗粒碰撞、聚集等现象加剧了运动轨迹预测难度。更棘手的是，不同粒径颗粒表现迥异——小颗粒虽稳定性好但易沉积，大颗粒效率高却加速部件磨损。如何精准量化输运能力并优化设计，成为制约深海采矿技术发展的瓶颈。

江苏大学的研究团队在《Powder Technology》发表的研究中，创新性地采用计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)耦合框架，通过单颗粒模型验证均匀分布法(UDM)与体积扩散法(VDM)的映射精度，建立轴向/径向颗粒输运能力(APTC/RPTC)评价体系。实验采用960?r/min转速的导叶式三级泵，结合高速摄影验证模拟结果，首次系统评估了颗粒尺寸对输运特性的影响。

关键技术方法
研究通过CFD求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)，DEM采用赫兹-明德林(Hertz-Mindlin)非线性接触模型模拟颗粒碰撞。重点对比UDM与VDM在粗颗粒相映射中的差异，通过单颗粒反弹实验校准参数。实验系统包含透明泵体模块与粒子图像测速(PIV)装置，验证6-10?mm颗粒的运动轨迹。

研究结果

UDM与VDM的适用性验证
单颗粒模拟显示，UDM预测的颗粒运动幅度较VDM高12.7%，更接近实验观测值。当网格单元体积为颗粒体积1.63倍时，UDM的动量耦合误差仅4.3%，显著优于VDM的9.8%。这表明UDM能更精确捕捉粗颗粒在较大网格中的流体扰动范围。

粒径对输运能力的影响
APTC分析表明，6?mm颗粒在高浓度(20%)时输运稳定性最佳，而10?mm颗粒在低浓度(5%)下效率提升23%。RPTC曲线揭示大颗粒的径向扩散更强，但会引发导叶片压力面局部磨损率增加300%，这与DEM预测的碰撞能量分布高度吻合。

讨论与意义
该研究首次将UDM引入深海采矿泵模拟，其优势在于：① 通过多网格分配策略解决CBD法的"局部化"缺陷；② APTC/RPTC指标实现输运能力的多维度量化。实践层面，建议针对不同开采阶段采用差异化设计——高浓度矿浆优先选用6-8?mm颗粒输送结构，低浓度工况可优化10?mm颗粒流道以降低湍流损耗。这项成果不仅为泵体优化提供理论工具，更开创了基于微观运动解析的粗颗粒输运预测新范式。