上海交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (8): 1059-1066.doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.470
• 船舶海洋与建筑工程 • 下一篇
收稿日期:
2023-09-18
修回日期:
2023-10-22
接受日期:
2023-11-13
出版日期:
2025-08-28
发布日期:
2025-08-26
通讯作者:
赵国成
E-mail:guocheng.zhao@sjtu.edu.cn
作者简介:
张栢源(2000—),硕士生,从事深海水力集矿装置设计与优化研究.
基金资助:
ZHANG Baiyuan1, ZHAO Guocheng1,2,3(), XIAO Longfei1,2,3
Received:
2023-09-18
Revised:
2023-10-22
Accepted:
2023-11-13
Online:
2025-08-28
Published:
2025-08-26
Contact:
ZHAO Guocheng
E-mail:guocheng.zhao@sjtu.edu.cn
摘要:
采集海底矿石颗粒是开发深海矿产资源的核心技术.基于康达效应的附壁射流式集矿技术被认为是一种具有工程应用潜力的集矿方法.基于实验验证的计算流体力学-离散元(CFD-DEM)数值模拟方法,以提高矿粒采集率为优化目标,开展集矿装置几何参数优化研究.探究集矿装置凸曲壁曲率半径与矿粒直径之比(R/d)、射流切向弧度(θ)和射流厚度与矿粒直径之比(b/d)对临界无因次射流流量(q0)的影响规律,并对各参数影响的显著性进行了比较.同时,结合集矿流场流速分布特征阐释矿粒受力运动特性.研究结果表明,b/d对集矿效率的影响最大,R/d次之,θ的影响最小.对比工况中,当R/d = 9、θ = 1.05 rad、b/d = 0.26时,矿粒采集效果最佳.本研究可为设计研发高效低扰动集矿装置提供理论支撑.
中图分类号:
张栢源, 赵国成, 肖龙飞. 附壁射流式多金属结核采集装置几何参数优化[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(8): 1059-1066.
ZHANG Baiyuan, ZHAO Guocheng, XIAO Longfei. Optimization of Geometrical Parameters of Coandă-Effect-Based Polymetallic Nodule Collection Device[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2025, 59(8): 1059-1066.
[1] | 徐德义, 朱永光. 能源转型过程中关键矿产资源安全回顾与展望[J]. 资源与产业, 2020, 22(4): 1-11. |
XU Deyi, ZHU Yongguang. Review and outlook of key minerals security during energy transformation[J]. Resources & Industries, 2020, 22(4): 1-11. | |
[2] | SHARMA R. Deep-sea mining: Economic, technical, technological, and environmental considerations for sustainable development[J]. Marine Technology Society Journal, 2011, 45(5): 28-41. |
[3] | HEIN J R, KOSCHINSKY A, KUHN T. Deep-ocean polymetallic nodules as a resource for critical materials[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1(3): 158-169. |
[4] |
杨建民, 刘磊, 吕海宁, 等. 我国深海矿产资源开发装备研发现状与展望[J]. 中国工程科学, 2020, 22(6): 1-9.
doi: 10.15302/J-SSCAE-2020.06.001 |
YANG Jianmin, LIU Lei, LYU Haining, et al. Deep-sea mining equipment in china: Current status and prospect[J]. Engineering Science, 2020, 22(6): 1-9. | |
[5] | ZHAO G, XIAO L, HU J, et al. Fluid flow and particle motion behaviors during seabed nodule pickup: An experimental study[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2021, 31(2): 210-219. |
[6] | RODMAN L C, WOOD N J, ROBERTS L. Experimental investigation of straight and curved annular all jets[J]. AIAA Journal, 1989, 27(8): 1059-1067. |
[7] | HONG S, CHOI J S, KIM J H, et al. Experimental study on hydraulic performance of hybrid pick-up device of manganese nodule collector[C]// ISOPE Ocean Mining and Gas Hydrates Symposium. Goa, India: The Third ISOPE Ocean Mining Symposium, 1999: ISOPE-M-99-011. |
[8] | 赵国成, 肖龙飞, 杨建民, 等. 深海水力集矿球形颗粒受力特性试验研究[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(8): 907-912. |
ZHAO Guocheng, XIAO Longfei, YANG Jianmin, et al. Experimental research on force characteristics of a spherical particle in deep sea hydraulic collecting[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2019, 53(8): 907-912. | |
[9] | ALHADDAD S, MEHTA D, HELMONS R. Mining of deep-seabed nodules using a Coandă-effect-based collector[J]. Results in Engineering, 2023, 17: 100852. |
[10] | YUE Z, ZHAO G, XIAO L, et al. Comparative study on collection performance of three nodule collection methods in seawater and sediment-seawater mixture[J]. Applied Ocean Research, 2021, 110: 102606. |
[11] |
李雨瑶, 赵国成, 肖龙飞. 不同水力集矿模型的矿粒采集及环境扰动特性数值研究[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(7): 1036-1046.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.023 |
LI Yuyao, ZHAO Guocheng, XIAO Longfei. Numerical study on collection and environmental disturbance characteristics of different nodule collecting models[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2024, 58(7): 1036-1046. | |
[12] | 官雷, 张东宽, 夏玉超, 等. 深海多金属结核采集方式及其结构参数比较分析[J]. 海洋技术学报, 2021, 40(5): 62-70. |
GUAN Lei, ZHANG Dongkuan, XIA Yuchao, et al. Comparison and analysis of deep-sea polymetallic nodules collection methods and structural parameters[J]. Journal of Ocean Technology, 2021, 40(5): 62-70. | |
[13] | KERST K, ROLOFF C, DE SOUZA L G M, et al. CFD-DEM simulations of a fluidized bed crystallizer[J]. Chemical Engineering Science, 2017, 165: 1-13. |
[14] | DI RENZO A, DI MAIO F P. Comparison of contact-force models for the simulation of collisions in DEM-based granular flow codes[J]. Chemical Engineering Science, 2004, 59(3): 525-541. |
[15] | SHIHT H, LIOU W W, SHABBIRA, et al. A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows[J]. Computers & Fluids, 1995, 24(3): 227-238. |
[16] | 倪建宇, 周怀阳, 彭晓彤, 等. 中国多金属结核开辟区的深海环境[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2002(1): 43-47. |
NI Jianyu, ZHAO Huaiyang, PENG Xiaotong, et al. The benthic environmental features in the China Pioneer Area, Northeastern Pacific Ocean[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2002(1): 43-47. |
[1] | 杨继沛, 杨苓, 魏茂华. 基于有源电容的直流母线电压振荡抑制器及其控制方法[J]. 上海交通大学学报, 2025, 59(3): 303-312. |
[2] | 李雨瑶, 赵国成, 肖龙飞. 不同水力集矿模型的矿粒采集及环境扰动特性数值研究[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(7): 1036-1046. |
[3] | 何之倬, 张颖, 郑刚, 郑芳, 黄琬迪, 张沈习, 程浩忠. 基于极限学习机模型参数优化的光伏功率区间预测技术[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(3): 285-294. |
[4] | 赵志斌, 骆彬, 唐婷, 王春芳, 孙中华. 改进型自激谐振无线电能传输系统[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(7): 859-867. |
[5] | 张振宁1,刘强2,吕春峰3,毛义梅1,陶卫1,赵辉1. 双线圈电涡流传感器参数优化及精度提高方法研究[J]. J Shanghai Jiaotong Univ Sci, 2023, 28(5): 596-603. |
[6] | 狄子琦, 王翔宇, 吴双, 周宇 . 基于Transformer架构的高超声速飞行器轨迹生成与预测算法[J]. 空天防御, 2023, 6(4): 35-41. |
[7] | 张英,陈智,李羿良,金远. 华龙一号反应堆功率控制系统优化设计[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(Sup.1): 55-60. |
[8] | 和鹏飞. 渤海潜山油藏钻井配套技术的研究与应用[J]. 海洋工程装备与技术, 2017, 4(1): 19-24. |
[9] | 程雷,张建国,王新昶,张韬,沈彬,孙方宏. 热丝法批量制备金刚石涂层钻头参数仿真优化[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2014, 48(11): 1600-1605. |
[10] | 陶猛1,2,王广玮1. 基于多目标遗传算法的吸声覆盖层参数优化设计[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2013, 47(08): 1300-1305. |
[11] | 王雪刚a,邹早建a,b. 基于果蝇优化算法的支持向量机参数优化在船舶操纵预报中的应用[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2013, 47(06): 884-888. |
[12] | 李小伟1, 史俊武2, 张建武1. 基于车-轨耦合的轨道特种车辆横向建模及参数优化[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2013, 47(02): 236-241. |
[13] | 李小伟1, 张建武1, 鲁统利1, 薛林2 . 基于耦合模型的轨道特种车辆悬架参数优化[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2012, 46(03): 346-351. |
[14] | 张烘州,明伟伟,安庆龙,陈明,戎斌,韩冰. 响应曲面法在表面粗糙度预测模型及参数优化中的应用[J]. 上海交通大学学报(自然版), 2010, 44(04): 447-0451. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||