基于康達效應的海底集礦裝置流場與集礦特性試驗研究

胡經朝，趙國成，肖龍飛

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240; 2.上海交通大學 三亞崖州灣深海科技研究院，海南 三亞 572024)

為緩解陸地礦產資源供需矛盾，世界各國紛紛將目光投向深海礦產的勘探開發[1]。目前，具有商業開采價值的深海礦產主要包括多金屬結核、富鈷結殼和硫化物[2]。其中多金屬結核因富含錳、鈷、鎳、銅等金屬元素，且具有分布廣、豐度高、儲量大等特點, 而具有較高的開采價值[1]。

目前，開采多金屬結核的深海采礦系統主要包括水面支持系統、水力提升系統、中繼艙和海底集礦系統。其中，海底集礦系統在海床沉積物表面作業，直接影響礦石采集率、海床沖刷深度等性能指標，最為關鍵[1]。合理設計的集礦頭可在實現高采集率的同時，將對海底環境的擾動降低到最小[3-5]。將多金屬結核從海床表面剝離的方法主要有4種：機械采掘式、軸流泵吸揚式、雙排噴嘴射流沖采式和基于康達效應的附壁射流吸入式[6]。后三者為水力式集礦方法，相比于機械式具有可靠性高、環境影響小等優點。

對軸流泵吸揚式集礦，趙國成等[7-9]通過模型試驗和量綱分析，得到了圓球、橢球顆粒受力系數與離底高度、顆粒偏移角和集礦管水平移動速度的關系。對雙排噴嘴射流沖采式集礦，Hong等[10]在二維水槽中對雙排射流沖采式集礦方法進行試驗研究，得到顆粒采集率與射流流量、集礦頭移動速度、離底高度等參數的關系，分析了底面壓力分布對礦粒采集率的影響。基于康達效應的附壁射流吸入式集礦，通過向凸曲面壁施加高速切向射流，在近壁面形成高速低壓區域，利用速度梯度產生的壓力差形成礦粒提升力。該方法可避免水射流對海底沉積物的直接沖擊，從而降低集礦過程對海底環境的擾動，最早被日本研制的深海集礦機所采用[11]。Yue等[12]對包含康達效應集礦頭在內的3種水力集礦頭的集礦性能進行了數值計算和性能比較，發現康達效應集礦頭在保證較小環境擾動的同時能保持較高的采集效率；Hu等[13]對抽吸效應和康達效應兩種水力式集礦方法進行了試驗研究，利用PIV獲得了流場云圖與速度矢量分布；Cho等[14]對康達效應集礦頭開展試驗研究，指出射流噴嘴寬度、射流流量、凸曲面壁半徑、離底高度是影響礦粒采集率的主要參數；Kim等[15]提出了基于可靠性分析的集礦頭性能評價方法，并通過理論計算分析了康達效應集礦頭在作業工況下的可靠性。雖然目前已有不少對康達效應水力集礦方法的數值和理論研究，但對真實康達效應流場的分布和顆粒物運動等方面的試驗研究相對較少。目前的集礦頭測試多偏工程，很少有在實驗室對集礦頭模型進行集礦性能測試的方法被公開提出。

基于康達效應的水力集礦方法具有結構簡單、可靠性高及對海床表面擾動小等優點。因此針對康達效應集礦頭，捕捉礦粒在流場中的運動軌跡，利用圖像處理獲取顆粒運動速度，并基于粒子圖像測速(PIV)技術測得集礦流場中的流速分布，研究不同射流流量對礦粒采集率的影響，提出了一系列用于研究集礦頭集礦性能的試驗方法，為揭示水力集礦機制、優化設計集礦裝置提供參考。這些方法對基于其他原理的集礦頭模型依然具有相當的應用價值。

1 研究問題描述

法國工程師亨利·康達發現，具有一定速度的附壁射流具有緊貼小曲率壁面流動的趨勢[16]。該現象被命名為康達效應，其原理如圖1所示。圖1中，Q、R分別為附壁射流流量和曲面壁的曲率半徑，以曲面壁表面某一點為原點，切向于曲面壁為ζ軸，法向為ξ軸建立坐標系，其中vm為ξ軸上流體質點的速度最大值。大部分動量集中在射流半寬度范圍b內，在ξ=b的位置，流體質點速度v=1/2vm。

圖1 康達效應原理

Kim等[15]認為集礦頭射流噴嘴寬度w、曲壁曲率半徑R、集礦頭離底高度h等參數是影響集礦性能的主要參數，提出基于可靠性設計的優化方法；GSR環境評價報告給出了一種基于康達效應集礦頭的幾何結構并對其集礦性能進行數值仿真[17]。在此基礎上，文中設計康達效應集礦頭模型幾何結構如圖2所示，其中幾何參數列于表1。

圖2 康達效應集礦頭模型剖面結構

表1 集礦頭主要參數定義

采用3D打印技術制作基于康達效應的水力集礦頭模型，材料為光敏樹脂。集礦頭射流噴嘴形狀為矩形，尺寸為0.3 m×0.002 m，射流方向與凸曲面壁相切，并與水平面成30°傾斜，凸曲面壁附近為PIV測量區域。布置在水下的集礦頭模型如圖3所示，以凸曲面壁最低點為原點，水平向左為x軸正方向，豎直向上為z軸正方向。

圖3 集礦頭模型照片

2 試驗設計

集礦性能試驗系統布置如圖4所示，包括高透明低鐵玻璃水槽[尺寸為2.5 m×1.5 m×1 m(長×寬×高)]、康達效應集礦頭、水泵、電磁流量計、PIV測量系統、礦物顆粒等。由水泵驅動的流體經過電磁流量計、限流閥，最終經康達效應集礦頭的射流噴嘴沿凸曲面壁切向射出，形成附壁射流，從而產生基于康達效應的集礦流場。試驗中，在足夠遠離集礦頭且未到達水槽壁面的位置處的流速已經接近于0，因此認為水槽的邊界效應不會對試驗結果產生較大的影響。多金屬結核模型簡化為密度2 430 kg/m3、直徑20 mm的黑色玻璃球。

圖4 試驗系統示意

3類試驗工況如表2所示。為獲得集礦流場中的流速分布，設計第Ⅰ類試驗(PIV流場測量)，測得流量為5.16×10-3m3/s條件下，集礦流場的速度分布；為獲得集礦過程中顆粒的運動特性，設計第Ⅱ類試驗(顆粒軌跡捕獲)，捕捉5種流量下單顆粒在流場中的運動軌跡并對其速度變化進行分析；為獲得Q對集礦頭集礦能力的影響，設計了第Ⅲ類試驗(采集率測量)，獲得了12種不同射流流量下的礦粒采集率。

表2 試驗類別與工況

3 試驗結果與分析

3.1 集礦流場分布

PIV測量得到的集礦流場速度分布及流線圖如圖5所示(示蹤粒子粒徑為10 μm)。沿凸曲面壁切向射出的流體質點貼靠凸曲面壁流動，流線平滑，流體質點在靠近凸曲面壁處流速大且沿法線方向速度變化大，而在較遠處呈現相反的規律。在x=-30 mm處，流體質點速度達到最大值v=7.1 m/s。

圖5 基于PIV技術的流場測量結果

為定量分析集礦流場速度分布特征，選取圖5(a)中3條縱向(l1、l2、l3)、2條橫向(l4、l5)監測線，分別位于x=30 mm、0、-30 mm，z=-5 mm、-10 mm位置，得到圖6所示的各監測線上的流體質點速度幅值分布。由圖6(a)可見，在3條豎直監測線上，流體質點的速度幅值隨其到凸曲面壁的垂向距離|z|增大而減小。值得注意的是，l1、l2、l3與射流噴嘴的距離依次減小，而|z|-v曲線斜率的絕對值依次減小，這表明越靠近噴嘴的位置速度梯度越大。圖6(b)所示為水平檢測線(l4、l5)處流體質點的速度幅值分布，其中l4上的流體質點速度幅值隨x的增加先增大后減小，在x=-8 mm處達到最大值v=3.1 m/s，并與l5上相同x處的流體質點速度差值達到最大。

圖6 流體質點沿豎直和水平監測線的速度幅值變化

3.2 顆粒運動軌跡

使用高速攝像機捕捉礦粒運動軌跡，并通過圖像處理獲得運動速度。選取5種(2.39×10-3m3/s≤Q≤5.53×10-3m3/s)不同大小射流流量進行試驗，發現在3組較大流量的工況中，顆粒有較大概率被提升至集礦頭內，而在另外兩種流量下，顆粒被采集的概率較低。因此，選取較大流量下顆粒被采集的運動軌跡和較小流量下顆粒未能被采集的片段作為各流量下的典型運動形態進行分析。

隨著流量Q不斷增加，試驗中可見顆粒呈現出5種典型運動形態，如圖7所示。

圖7 顆粒運動軌跡

圖7(a)為Q=2.39×10-3m3/s時的顆粒軌跡形態，顆粒在離開底面少量距離后，因受到的垂向提升力不足又回落到底面并穿過集礦頭，未被采集；圖7(b)為Q=3.11×10-3m3/s時的顆粒軌跡，可以看到顆粒在凸曲面壁最低點附近起動，在與集礦頭碰撞后回落到底面，仍未被采集；圖7(c)所示的顆粒在集礦過程中未與集礦頭凸曲面壁碰撞，并被成功采集；圖7(d)和7(e)中，顆粒在較大的射流流量作用下被成功采集，但在起動過程中與凸曲面壁發生碰撞。通過分析這5種顆粒運動軌跡形態，發現Q的增加不僅會決定顆粒是否能夠被采集，還會影響顆粒的運動軌跡形態。在合適的射流流量Q下，顆粒可以在無碰撞下被成功采集，從而避免可能因碰撞導致的顆粒軌跡交錯、采集率下降、集礦頭堵塞、凸曲面壁結構受損等情況發生。

顆粒在集礦過程中的運動速度變化如圖8所示。隨著Q的增大，顆粒水平運動速度Vx和垂向運動速度Vz的最大值均有增大的趨勢。顆粒均以約0.45 m/s的速度水平進入集礦流場，然后水平速度快速增大。垂向運動速度反映出不同流量下顆粒起動快慢的不同，在Q較大的兩個工況中(Q=5.53×10-3m3/s和Q=5.39×10-3m3/s)，顆粒垂向起動相比于其他3種較小流量工況中顆粒的起動提前發生0.1～0.2 s，顆粒臨界垂向起動位置也更靠近布置于集礦頭前緣的射流噴嘴處。

圖8 5種不同流量下顆粒運動速度隨時間變化曲線

3.3 采集率—射流流量曲線

為得到流量Q對顆粒采集率η的影響，試驗測得2.39×10-3～5.53×10-3m3/s共12種不同射流流量下η的變化。在每個流量Q下，從滑道相同高度處釋放100個直徑20 mm的黑色顆粒，使其帶一定初速度進入集礦頭底部并記錄集礦頭采集到的顆粒數量，結果如圖9所示。

圖9 不同流量Q對采集率η的影響

試驗表明，當流量過小，即Q≤2.39×10-3m3/s時，顆粒采集率接近于0；當2.39×10-3m3/s

4 結 語

研究探索了康達效應集礦頭的研究方法，利用多種方法直觀反映了康達效應集礦頭的集礦表現，得到結論如下：

1)通過PIV測量得到集礦流場速度分布，發現流線層次分明無大尺度漩渦，靠近壁面處的流速和速度梯度均較大，遠離凸曲面壁則流速小且幅值變化不明顯。

2)在試驗中采用高速攝像和圖像識別技術，可準確跟蹤測量顆粒運動軌跡和速度。隨著流量增大，顆粒運動速度增大，起動位置提前，當流量Q較大時，顆粒將會更快起動并在集礦流場的作用下得到提升。

3)隨著射流噴嘴流量增大，顆粒采集率變化可劃分為增長區、緩變區和躍升區，分別在流量為2.39×10-3～3.50×10-3m3/s范圍隨流量增大近似線性增加，在流量為3.50×10-3～5.31×10-3m3/s時保持穩定，采集率為約45%，在流量為5.31×10-3～5.53×10-3m3/s時隨流量增大而急劇上升，最終采集率接近90%。值得注意的是，若考慮真實集礦環境底質的存在，不同采集率所對應的流量范圍將發生變化。

未來的集礦頭設計將盡最大可能遵循BAT原則[18-19]，即“best available technology”，這對集礦頭的集礦性能提出了綜合性的要求，即在保證盡可能小的環境擾動的同時，將采集率維持在一個較高水平。采集率指標與集礦頭本身的各項參數密切相關，例如曲面壁曲率、射流流量、射流噴嘴傾斜角度、集礦高度等參數都有可能對集礦表現產生較大影響。研究可加深對基于康達效應集礦機制的理解，豐富水力集礦試驗方法，并為水力集礦頭的優化設計及集礦系統動力參數選取提供參考。