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在深海采矿中，传统泵送方式面临成本高、安全风险大等问题。研究人员开展 “废水驱动深海隔膜泵用于矿浆运输的运输特性研究”，发现该泵能稳定运输矿浆，压力损失小。这为深海采矿提供新方案，助力行业发展。
深海，这片神秘而广袤的领域，蕴藏着丰富的矿产资源，吸引着无数科研人员和矿业从业者的目光。在深海采矿的征程中，却面临着诸多棘手的难题。传统的离心式泵或正排量泵多为电动，在深海作业时，需要铺设长长的海底电缆来供电。随着作业深度的增加，这些电缆不仅成本高昂，而且悬于水下的高压电缆还带来了一系列安全隐患。例如，在深海复杂的环境中，电缆可能会受到海水腐蚀、海洋生物破坏等影响，一旦出现故障，维修难度极大且成本极高。此外，深海采矿还需要解决废水排放和矿浆运输的问题，如何高效、环保地实现这两个目标，成为了深海采矿领域亟待攻克的难关。
为了解决这些问题，来自多个研究机构的研究人员开展了深入研究。他们将目光聚焦于废水驱动的深海隔膜泵，致力于探究其在矿浆运输中的特性，为深海采矿提供更优的解决方案。最终研究发现，这种 “双液压驱动” 的隔膜泵在运输性能上表现出色，为深海采矿系统的优化带来了新的希望。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为相关领域的发展提供了重要的理论支持和实践指导。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。一方面，采用计算流体动力学（CFD）和离散元法（CFD - DEM）相结合的方式，对隔膜泵内的流体和固体 - 液体两相流进行模拟分析。另一方面，搭建模拟测试系统，通过实验观察清水和固液两相流在泵内的流动特性，以此验证模拟研究的可行性。
废水驱动隔膜泵的运行机制及实验系统构建
研究人员提出了一种集成深海采矿系统，将矿物提升与废水排放相结合，其核心设备是 “双液压驱动” 隔膜泵。在这个系统中，采矿船上的正排量泵将废水输送到海底隔膜泵，驱动隔膜将矿浆输送到采矿船；同时，采矿车上的离心泵将收集的矿浆泵入隔膜泵，驱动隔膜将废水排回海底。与传统 “吸排” 式隔膜泵不同，这种泵交替工作在 “采矿废水输入驱动矿浆输出” 和 “矿浆输入驱动采矿废水排放” 两种模式。
为了深入研究其特性，研究人员对泵的运行机制进行分析并设计了结构。考虑到深海采矿需运输含粗颗粒的矿浆，泵体采用球形结构，隔膜设计为波纹状，以确保矿浆流动顺畅并防止拉伸应力。此外，研究人员还搭建了模拟测试系统，该系统采用透明丙烯酸材料制作球形隔膜泵，通过控制电磁阀的开闭实现双液压驱动和固液两相流的输入输出，利用多种仪器监测流量、压力等参数，并使用高速 CCD 相机记录颗粒运动。
双流体驱动隔膜泵运输实验特性分析与对比验证
研究人员对双流体驱动隔膜泵进行了清水运输实验和性能模拟分析。实验中，泵的运输流量约为 4 m3/h，运输压力为 0.3 MPa，稳定运行周期约为 6.4 s。实验结果显示，泵在整个运行周期内流量相对稳定，输入输出流量基本一致。模拟结果与实验结果在分段中值和整体趋势上吻合良好，验证了模型和分析方法的可行性。
在固液两相流运输实验中，研究人员设置了不同的颗粒浓度，使用高速相机记录颗粒运动情况。实验结果表明，颗粒在泵内的输入输出行为和分布运动趋势与模拟结果基本一致，进一步验证了模拟方法的可靠性。泵在固液两相流运输过程中，输入输出流量也保持平衡稳定。
废水驱动深海隔膜泵的方案设计与运输性能模拟分析
基于上述实验和模拟分析，研究人员以深海多金属结核商业开采为背景，设计了废水驱动的矿浆运输隔膜泵方案。考虑到年生产能力、矿浆浓度等因素，确定了泵的各项参数，如运输能力、泵腔直径、管道直径等，并开发了网格模型。
对清水运输时的流体流动和流量压力特性进行模拟分析发现，泵在运行过程中，流体呈现中心高速、壁面低速的分布模式，流线图显示流场呈中心对称。输入输出阶段，流体速度和压力稳定，虽在转换阶段有短暂波动，但对系统稳定运行影响较小。
在分析颗粒运动和浓度变化时，研究人员设置了颗粒和泵体各部件的参数，跟踪颗粒运动轨迹。结果发现，颗粒在泵内呈螺旋运动，速度逐渐降低并在底部聚集，在输出阶段快速排出。颗粒浓度在管道和泵腔内的变化规律表明，矿浆能稳定输入输出，且在输出阶段大部分颗粒能在前期排出。
综合各项研究，研究人员认为 “双流体驱动” 隔膜泵在深海采矿集成系统中的应用是可行且具有适应性的。它具有独特的流动和流量压力特性，能稳定运输矿浆，虽然存在如运输浓度不均等问题，但整体优势明显，为深海采矿提供了新的技术选择。
研究结论与意义
本次研究全面揭示了 “双液压驱动” 隔膜泵的运行机制和运输特性。这种泵与传统隔膜泵在驱动方式和结构上有很大差异，其在清水和固液两相流运输中表现出稳定的流量和低压力损失的特点，能够满足深海采矿系统中废水排放和矿浆运输的需求。同时，该泵还具有无需深海大功率电缆、可实现高浓度矿浆运输等优势，为深海采矿行业的发展提供了新的方向。
然而，研究也指出，在实际应用中还存在一些需要进一步研究和优化的问题，如多泵运行时矿浆浓度不均的问题，以及工艺参数与泵结构参数之间的关系等。未来的研究可以针对这些问题展开，进一步完善废水驱动深海隔膜泵在深海采矿中的应用，推动深海采矿行业朝着更高效、更环保的方向发展。
