深海采矿振动管道中非球形矿石颗粒提升特性的数值研究

《Powder Technology》：Numerical study on the lifting characteristics of non-spherical ore particles in vibrating pipelines for deep-sea mining

　　

•针对振动管道中非球形矿石提升开发了CFD-DEM模型。
•研究了颗粒形状、振动幅值/频率和速度的影响。
•棒状和团状颗粒的轴向速度高于球形颗粒。
•圆盘状颗粒引起的壁面剪切应力最大，压降增加6%。
•增加振动会削弱轴向输送并加剧脉动堵塞风险。

引言

随着全球经济和社会的快速发展，对金属矿物资源的需求持续激增。长期的工业开采导致陆地矿物资源逐渐枯竭，使其难以长期支撑经济社会的可持续发展[1], [2]。在此背景下，富含钴、镍、锰、铜等战略关键金属的深海矿床，凭借其储量丰富和资源潜力巨大，正逐渐成为全球矿物资源开发的重要新方向。特别是多金属结核、富钴结壳和海底块状硫化物等深海资源，不仅具有突出的经济发展价值，还为缓解未来资源短缺提供了新的可能性。

一个典型的深海采矿系统通常由水面支持船、海底采矿机器人、中间缓冲站和提升管道系统组成[3]。海底采矿机器人完成矿石采集和初步破碎后，矿石颗粒通过柔性输送管道进入中间站，并通过连接提升泵的垂直立管连续输送至海面。对于该系统，如何在确保系统稳定运行的同时，安全、连续、高效地将海底采集的矿石颗粒提升至海面，是深海采矿工程的核心技术挑战之一[4]。

众多学者对垂直提升管道中固液两相流的流动行为进行了广泛研究。早期研究主要依赖实验方法，且多以单一粒径的球形颗粒为研究对象。Engelmann [5]通过实验分析了垂直管道中颗粒的水力提升过程，并建立了水力梯度与输送行为之间的半经验关系。Alajbegovi?等人[6]通过实验发现，在垂直管道中固液两相流的提升过程中，颗粒更容易在管道中心区域聚集，而近壁区域则表现出更显著的流速梯度和湍流脉动。此外，Xia等人[7]指出，颗粒尺寸、进料浓度和输送流速是影响系统提升能力和压降的关键因素。同时，Bartosik和Shook [8]通过实验证实，垂直管道流中的浓度分布特征对提升压降的预测精度有重要影响。Van Wijk等人[9]分析了深海采矿条件下的流动稳定性，指出局部颗粒聚集是堵塞风险的主要原因，同时揭示了固液两相流显著的脉动特性。现有实验研究为理解垂直提升的宏观行为奠定了重要基础。然而，受传统观测技术的限制，颗粒与流体之间的相互作用机制和局部浓度分布等关键微观特征仍未得到充分揭示。

随着计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟已成为研究管道中多相流机理的重要手段。在固液两相流的数值模拟中，Euler-Euler（E-E）方法和Euler-Lagrange（E-L）方法是两种主要方法。E-E方法将颗粒相视为准连续介质，计算效率高，适用于高浓度工况，但难以准确表征颗粒碰撞和团聚等离散行为[10], [11], [12]。基于离散元方法（DEM）的E-L方法可以追踪单个颗粒的运动，并考虑颗粒、流体和壁面之间的多重相互作用，因此在粗颗粒多相流模拟中具有更大优势[13], [14], [15], [16], [17], [18]。目前，E-L框架下的CFD-DEM耦合方法已被广泛应用于深海采矿垂直提升管道中粗颗粒输送的研究。Zhou等人[19]对静止垂直管道中单一粒径颗粒的水力输送进行了模拟，发现液相和固相的轴向速度和体积分数均在管道中心区域达到最大值，并向壁面径向递减。Liu等人[20]基于该方法研究了深海采矿垂直提升过程中的颗粒动力学特性，并建立了颗粒速度、滑移速度和局部浓度之间的经验关系。Wan等人[21]进一步探讨了静止管道中分级粗颗粒的输送行为，指出进料浓度、初始流速和颗粒分级可显著改变管道中的压降。Zhang等人[22]对高浓度颗粒的垂直输送进行了研究，发现增加入口速度可以缓解颗粒滞留并改善提升状况。Yang等人[23]系统考察了颗粒浓度、粒径分布和密度对提升特性的影响，指出较高的进料浓度和颗粒密度会增加局部浓度和系统压降，而较宽的粒径分布则会增强流动不稳定性。

在固液两相流的深海采矿研究中，离散相颗粒常被简化为规则球体以便于数值建模和求解。然而，这种理想化处理往往忽略了颗粒真实几何形状的影响。实际的深海矿石大多不规则且非球形，其几何各向异性导致垂直管道流中颗粒的动态响应与球形颗粒存在显著差异。现有研究也表明，颗粒形状对颗粒运动和输送行为有重要影响[24], [25], [26], [27], [28]。此外，在实际工程中，海底立管在外部海流作用下可能发生涡激振动，从而产生垂直于流向的周期性横向运动[29]。与静止管道相比，运动管道中的颗粒不仅受到阻力、升力和重力等常规力的作用，还受到附加惯性力、周期性变化的流体阻力以及振动引起的湍流结构变化等多重效应的影响[30]。在单颗粒行为研究方面，Wei等人[31]对横向振动立管中单颗粒的沉降行为进行了数值研究，发现随着立管振动频率和幅值的增加，颗粒在振动方向的相对速度和沉降速度的脉动幅值均呈上升趋势，而平均沉降速度则逐渐降低。在此基础上，Wei等人[32]进一步研究了横向振动提升管道中单颗粒的上行运动，发现振动可显著增加颗粒的横向相对速度，同时降低其垂直速度和提升距离，且颗粒垂直速度的变化频率约为管道振动频率的两倍。在多颗粒系统研究中，Wan等人[30]对垂直受迫振动管道中的固液两相流进行了CFD-DEM模拟，发现管道振动可通过增强颗粒诱导湍流使颗粒分布更加分散，同时随着幅值和频率的增加，系统压降也随之增加，且这种效应在入口流速增加时逐渐减弱。Deng等人[33]研究了横向振动条件下大型深海采矿立管中的高浓度输送，指出低频振动有利于壁面螺旋流的形成和颗粒分布的均匀化，而接近特征频率的振动则会加剧局部颗粒聚集和浓度脉动。Yuan等人[34]对振荡管道中颗粒动力学的研究表明，管道振荡使颗粒分布从静止条件下的中心聚集转变为近壁对称扇形分布，同时颗粒-壁面碰撞频率更高、接触力更大、水力梯度更高，且频率的影响比幅值更为显著。Yang等人[35]进一步研究了横向振动管道中多种粒径粗颗粒的提升行为，发现振动可诱导颗粒周期性横向迁移并在特定相位形成近壁聚集层；同时，粒径分布标准差、振动参数和进料浓度共同影响输送稳定性、压降演化、能耗和磨损风险。总体而言，管道振动引入了复杂的能量转换和脉动流场演化机制，使得无法将静止管道中的颗粒输送直接应用于运动管道系统。

尽管基于CFD-DEM的固液两相管道输送研究已较为成熟，但现有研究大多集中在球形颗粒或静止管道上。振动管道中非球形矿石颗粒的输送行为以及颗粒形状与横向管道振动之间的耦合机制仍有待深入理解。因此，本研究创新性地探究了非球形矿石颗粒与横向管道振动之间的耦合机制，首次系统量化了形状分级比对非球形颗粒集合能耗的影响，并进一步阐明了颗粒形状、振动参数、输送速度和形状分级对深海采矿中矿石颗粒轴向速度、壁面剪切应力和压降特性的影响。本文其余部分组织如下：第2节介绍数值方法；第3节展示计算设置和模型验证；第4节讨论振动管道中非球形颗粒群的动态特性及其对输送性能的影响；第5节总结主要结论并概述未来研究方向。

控制方程

在深海采矿中，被输送的海水被视为连续相，其流动受Navier-Stokes（N-S）方程支配。为了考虑固体颗粒对流体运动的影响，在动量方程中加入了颗粒-流体相互作用项。流体相的控制方程如下[21]：
其中 ρf 是流体密度，uf 是流体速度，Pf 是

计算域和边界条件

本节主要介绍振动提升管道中不规则形状颗粒输送的三维数值模型。垂直立管长度为2.5 m，内径为0.0306 m，其几何构型和示意性颗粒分布如图3所示。计算域底部设置为速度入口，用于连续注入固液两相混合物；顶部设置为压力出口，且

结果与讨论

本文首先系统研究了颗粒形状差异对固液两相流输送特性的影响，然后进一步探讨了管道振动参数（幅值和频率）、输送速度以及非球形颗粒群分级比对轴向输送速度、压降、壁面摩擦和固体分布特性的影响。具体分析如下。

结论

基于CFD-DEM耦合方法，本章系统分析了深海采矿垂直水力提升系统中横向振动管道内非球形颗粒的水力输送特性、能耗和分布规律。得出以下主要结论：

(1) 颗粒形状是影响水力输送效率、运动稳定性和能量耗散的关键因素。通过引入纵横比AR和球形度ψ，本文

CRediT作者贡献声明

杨灿：撰写初稿，监督指导，软件，资源，方法论，资金获取。
邱海鹏：撰写初稿，验证，软件，方法论，数据管理。

陈海龙：监督、项目管理、调查、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本文得到国家科技重大专项（项目编号：2025ZD1600600）、山东省自然科学基金资助项目（项目编号：ZR2026MS0727）、黑龙江省自然科学基金优秀青年学者项目（项目编号：YQ2025E030）、山东省重点研发计划（项目编号：2025CXGC010704）以及船舶 CAE 软件开发与应用项目的资金支持。特别感谢匿名的
杨灿 | 邱海鹏 | 陈海龙