对数螺旋面柯恩达效应集矿机粗颗粒流数值研究：深海采矿的关键突破

为解决深海多金属结核开采中减少海底扰动并提高集矿效率的问题，研究人员开展基于柯恩达效应（Coand? effect）的对数螺旋面集矿机的 CFD-DEM 模拟研究。结果揭示了流场特性、颗粒运动规律等，为优化集矿机提供指导。

　　在深邃神秘的海洋底部，蕴藏着丰富的宝藏 —— 多金属结核。这些结核富含锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）等关键金属，其储量远超陆地总和 ，对基础设施建设、绿色能源发展等至关重要。然而，深海采矿面临诸多挑战，尤其是传统采矿方式对海底环境的扰动较大，这引发了人们对其环境影响和成本的担忧。因此，如何在高效开采多金属结核的同时，最大程度减少对海底生态的破坏，成为了科研人员亟待攻克的难题。

为了解决这一关键问题，相关研究人员开展了深入的研究。他们聚焦于基于柯恩达效应（Coand? effect）的集矿机，这种集矿机有望在维持高集矿效率的同时，降低对海底的扰动。研究人员利用计算流体力学 - 离散元方法（CFD-DEM）模拟技术，对具有不同无量纲参数（s/R = 1, 2/3, 1/2）的对数螺旋面集矿机进行了系统分析，着重探究喷射动力学和颗粒轨迹。

研究人员在研究中采用了多种关键技术方法。首先是建立几何模型，基于之前在圆柱面柯恩达效应集矿机的工作，构建了不同 s/R 比的对数螺旋面模型 ，并设定了一系列相关参数。其次，运用 CFD-DEM 耦合技术，通过求解雷诺平均 Navier-Stokes 方程描述海水连续相，采用软球模型和 Hertz-Mindlin 接触理论处理颗粒离散相，实现两者双向信息交换。此外，设置合理的边界条件和网格，确保模拟的准确性，同时通过与已有实验对比进行模型验证。

下面介绍该研究的具体结果：

• 流场特性：近壁射流会夹带周围流体，在集矿管入口处形成高压区 ，合并后的流体以不对称的斜角向上流向集矿管，并产生回流涡。随着 s/R 减小，夹带的上升流减少，导致低速区域增大，影响集矿效率。通过压力系数（C_p）分析发现，射流的抽吸作用使集矿管入口形成局部高压区，同时伴随着一个小的低压区，与回流涡相关。
• 射流宽度增长和最大速度衰减：定义无量纲射流半宽（y_1/2m/h）来描述射流扩张，其随无量纲位置（s/h）的增长速率在对数螺旋面上约为每增加 s/h 10% 。最大速度 u_m沿曲面的衰减率最初急剧下降，随后随着 h/R 增加而减缓。通过定义壁面雷诺数（Re_w）和局部雷诺数（Re_b）分析湍流效应，发现 Re_b随 s 增加而单调增加，而 Re_w由于射流边界层增长较慢，先减小后增大 。
• 颗粒运动特性：颗粒在压力梯度力和射流扰动作用下上升 ，s/R 越大，颗粒初始速度越快。颗粒运动分为四个阶段：颗粒滑动期、颗粒提升期、颗粒加速期和颗粒旋转期。在不同阶段，压力梯度力和射流扩散分别主导颗粒的提升。s/R 较大时，能维持更大比例的射流水平速度分量，在颗粒提升和旋转阶段加速颗粒运动。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过 CFD-DEM 模拟，深入探讨了对数螺旋面集矿机在深海采矿中的应用。明确了不同 s/R 比对射流最大平均速度衰减、射流动量扩散和颗粒轨迹等的影响 。引入的射流半宽、壁面雷诺数和局部雷诺数等概念，为分析流场和颗粒运动提供了重要指标。研究结果为基于柯恩达效应的深海采矿集矿机对数螺旋面板的优化提供了关键依据，有助于进一步理解水动力相互作用和颗粒传输机制，对推动深海采矿技术发展、减少环境影响具有重要意义。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为相关领域的研究提供了有价值的参考，有望为未来深海多金属结核的可持续开采奠定理论基础。