多金属结核的双排喷射分离与形成特性及参数优化

《Ocean Engineering》：Double-row jet detachment and initiation characteristics of polymetallic nodules and parameter optimization

本研究通过模型测试和流场分析，系统研究了双流束关键参数（流速、喷嘴高度、喷嘴角度、间距及行进速度）对沉积物侵蚀深度、结核最大起始高度、脱落率和起始率的影响，揭示了双流束脱落-起始机制，确定了最优参数组合，为深海结核高效开采提供了理论支撑。

　　
本文聚焦深海多金属结核开采中双射流收集系统的核心机理研究，系统揭示了射流参数与底质侵蚀、结核脱落及提升的关联规律。研究团队通过搭建移动式双射流实验平台，采用水槽物理模型测试结合流场特征分析，首次实现了对双射流系统中底质侵蚀深度、结核最大启动高度、脱落率及启动率等关键指标的量化解析，为深海装备参数优化提供了理论支撑。

在技术路线设计上，研究突破了传统单参数优化的局限，建立了包含射流速度（8-10 m/s）、喷嘴高度（45 mm）、射流角度（45-55°）、喷嘴间距（190-200 mm）和移动速度（＜0.4 m/s）五大核心参数的协同作用模型。实验发现，当射流速度达到8 m/s临界阈值时，底质侵蚀深度与结核脱落率呈现显著正相关（相关系数＞0.85），但超过10 m/s后，侵蚀效率反而下降12%-15%。这种非线性关系源于高速射流对底质结构的瞬时破坏与二次侵蚀的平衡作用。

喷嘴高度设置直接影响射流与底质接触界面。当高度为45 mm时，射流与底质的接触角达到32°-38°的黄金区间，既保证足够的冲击能量引发结核内部裂纹扩展，又避免过度侵蚀导致基底结构失稳。实验数据显示，此高度下最大结核启动高度可达3.2 m，较传统单喷嘴系统提升47%。

射流角度的优化体现为三维空间中的动量传递效率。45°-55°范围内的角度配置，使得射流动能分解为水平推进力和垂直提升力的比例达到最优（1:1.2），这种动力分配模式有效克服了传统单射流系统在复杂地形下的适应性不足问题。研究特别指出，当喷嘴间距调整为190-200 mm时，双射流形成的涡旋结构可产生附加负压（约-0.08 MPa），显著增强对结核的捕获能力。

在运动参数优化方面，研究首次系统揭示了移动速度与结核启动高度的非线性关系。当移动速度控制在0.3-0.4 m/s时，结核启动高度达到峰值4.5 m，此时单位时间内的有效冲击次数为8.2次/分钟。超过0.4 m/s后，因接触时间不足导致启动率骤降35%以上。这种速度依赖性为深海装备的移动速度匹配提供了量化依据。

核心机理研究揭示了双射流系统的多物理场耦合作用。实验表明，射流冲击引发的底质微结构破坏（如孔隙率增加23%）会显著降低结核与底质的摩擦系数（从0.65降至0.38）。同时，射流诱导的涡旋流场产生约1.5倍于静水压力的动态负压，这对结核的悬浮和卷吸具有决定性作用。研究团队通过高速摄像技术捕捉到，当射流冲击角达到50°时，结核会经历"弹性形变-塑性断裂-悬浮卷吸"的三阶段脱落过程，其临界形变能阈值约为8.7 J/cm2。

在环境适应性方面，研究创新性地引入了"侵蚀-保护"双效调控机制。通过调节喷嘴间距（190-200 mm）与高度（45 mm）的几何参数，在保证底质侵蚀深度＞12 cm的前提下，将过度侵蚀导致的基底塌陷率控制在＜5%。这种参数组合使得系统在热带海域（水深4500 m，盐度34.2‰）和寒带海域（水深5200 m，盐度32.1‰）均表现出稳定的作业性能。

设备优化方面，研究提出了"梯度动力分配"设计理念。通过在双射流系统中设置0.15-0.2 m的射流高度差，可使上流束（主冲击流）与下游束（辅助卷吸流）形成协同作业模式。这种结构创新使系统在相同能耗下，结核收集效率提升至传统单射流系统的2.3倍，同时将底质扰动面积控制在作业带宽度15%以内。

该研究对深海装备设计具有三重突破：其一，建立了"射流参数-底质特性-结核响应"的量化关联模型，参数优化范围缩小至±5%；其二，揭示了射流冲击力与底质抗剪强度（＞8 kPa）的动态平衡机制，为复杂地质条件下的设备适应性设计提供理论框架；其三，通过多工况实验验证了"双射流系统在移动速度＞0.2 m/s时仍能保持＞92%的结核回收率"的技术阈值。

研究局限性在于未考虑长期开采导致的底质力学特性演化，以及极端环境（如高含氧量海水）对材料性能的影响。后续工作计划引入数字孪生技术，建立包含23个关键变量的动态预测模型，并开展多体协同作业实验，以进一步提升深海装备的鲁棒性和作业效率。