关于侧板配置对双射流液压收集方法性能影响的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical investigation on the influence of side plate configurations on the performance of dual-jet hydraulic collection method

双喷嘴水力开采中侧板结构优化研究，通过实验验证的数值模型分析不同侧板结构对固定颗粒垂直力及流动场的影响，提出新型曲面直板组合结构，使颗粒收集效率提升46.6%，逃逸率降低20.3%。

　　

董彦青|邹莉|孙铁志|金国清|余宗兵

大连工业大学船舶与海洋工程学院，中国大连 116024

摘要

关于多金属结核水力采矿方法配置优化研究仍然有限，尤其是双喷射水力采集装置的相关研究更为匮乏。本研究旨在通过优化双喷射采集装置来填补这一空白。通过在自建的固定颗粒实验平台上进行的实验验证了数值方法的可靠性。利用经过验证的数值模型，系统研究了不同侧板配置对颗粒垂直力特性的影响。结果表明，结合曲面板和一对倾斜板的配置有效提高了双喷射冲刷对中间颗粒的稳定性。对于侧边颗粒，倾斜板的引入对其垂直力特性起到了关键作用。带有倾斜板的直板结构和带有倾斜板的曲面板结构分别使平均垂直力增加了16.83%和14.71%。此外，还提出了一种新型的曲直复合侧板配置。这种优化设计显著提升了自由沉积颗粒的采集效率：采集到的颗粒数量增加了46.6%，逃逸的颗粒数量减少了20.3%。本研究为双喷射水力采矿装置的配置优化提供了新的视角。

引言

海洋蕴藏着丰富的矿产资源，这些资源有可能补充甚至替代未来的陆地资源，从而成为人类未来资源需求的重要来源（Kang等人，2019年）。四种主要的深海矿产资源备受关注：多金属锰结核、富钴壳、多金属硫化物和深海稀土。多金属锰结核主要分布在西太平洋的深渊平原上，深度在4000至6000米之间（Hein等人，2020年）。例如，克拉里昂-克利珀顿区的估计储量是陆地类似资源的5到10倍（Yao等人，2025年）。富钴壳是一种由铁锰氧化物和氢氧化物组成的壳状沉积物，牢固地附着在海底岩石或露头上。它们富含钴、铂、锰、镍和铁，主要分布在海山、海岭（国际海底管理局，2002年）和深度为800至4000米的高原上。其钴含量可高达2%，是典型陆地沉积物的20多倍（Maksimov和Safronov，2018年）。多金属硫化物主要形成于中洋脊、板块边界（Zhu等人，2020年）和活动火山弧，深度在1000至4000米之间。这些沉积物含有锌、锰、铜、铁和铅等有价值的金属。深海稀土元素是指富含稀土元素（REY）的沉积物（Y. Liu等人，2023年），通常位于远离大陆的深海盆地，深度超过4000米。

目前，多金属锰结核的主要开采技术基于水力方法，主要包括壁附式喷射型、双喷射型和吸力型。许多国内学者对这些方法进行了研究。然而，大多数研究集中在采矿设备的结构参数对其产能的影响上，而对这些方法本身配置优化方面的研究相对较少。

关于吸力型采矿装置，Zhao等人（2021年）提出在吸水管内添加螺旋板以被动产生旋流，从而提高其采矿效率。他们利用数值方法探讨了其采集特性、流场特性和沉积物扩散情况。研究结果表明，旋流装置在提高吸力和减少临界底部间隙方面具有优势。另外，Liu等人（Zihan Liu等人，2023年）设计了一种利用四个喷嘴主动产生旋流场的采集装置。通过实验和数值方法的结合，他们的结果显示，随着旋转强度的增加，颗粒的运动状态从无序变为明显的圆形轨迹，有助于颗粒的垂直移动。对于依赖科安达效应将喷射流附着在特定曲面上的壁附式喷射采矿装置，研究面临独特的挑战。高速附着射流的形成对结构参数非常敏感。因此，研究主要集中在优化这些关键参数上，而对整个装置配置的系统性探索较少。除了标准的等直径圆形曲面外，Jia等人（2024年）提出使用变直径对数螺旋面作为喷射附着壁，并对其流场特性进行了初步研究。在双喷射采矿装置的研究中，Wu等人（2025年）率先强调了引入流量限制装置的重要性。然而，这种装置主要作为辅助组件使用，并非研究的主要变量。

在通过采矿装置收集颗粒群的数值模拟中，广泛采用了耦合计算流体动力学和离散元方法（CFD-DEM）。例如，Su等人（Ren等人，2024年；Su等人，2024年，2025年；Wang等人，2025年）进行了一系列关于水力采集技术的研究。他们的工作研究了：（1）双排喷嘴角度对流场特性、颗粒运动和采集效率的影响；（2）基于双喷射效应的采矿装置设计，揭示了多颗粒条件下的颗粒-壁碰撞特性和四种典型轨迹；（3）基于科安达效应的采集模型对不同大小颗粒的筛选效果，以及应力、轨迹和碰撞位置的分布；（4）喷射速度比对流场结构和采集效率的影响，使用了CFD-DEM方法。

总之，本研究通过提出一系列创新的侧板设计，重点关注双喷射采矿装置的配置优化。利用自建的固定颗粒冲刷实验平台验证了数值方法的可靠性。利用这一经过验证的模型，我们研究了不同侧板配置对固定颗粒垂直力特性、采集区域内流场结构演变以及颗粒表面压力的影响。此外，还模拟了动态采矿过程，使用CFD-DEM方法定性地比较和评估了各种配置对颗粒采集效率和逃逸行为的影响。这项工作为双喷射采矿采集器的设计和优化提供了新的视角。

部分摘录

数值方法

在矿石采集过程中，喷射流的运动受纳维-斯托克斯方程的控制，这些方程主要包括质量和动量守恒方程（Razavi等人，2021年）。