水射流對(duì)鈷結(jié)殼的破碎研究.pdf

1、隨著陸地礦產(chǎn)資源的日趨枯竭和人類對(duì)海洋認(rèn)識(shí)的日益深化,許多國(guó)家越來(lái)越重視海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用。深海鈷結(jié)殼是大洋底部最具吸引力的礦產(chǎn)資源之一,產(chǎn)出在水深800～3000m的海山、島嶼斜坡上,其平均厚度僅為4～6cm,富含鈷、鉑、鎳、錳、銅、鐵、磷、鈦、鋅、鉛、鈰等戰(zhàn)略物質(zhì)。由于其巨大的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,深海鈷結(jié)殼開(kāi)采技術(shù)與裝備的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
　　 鈷結(jié)殼開(kāi)采研究的第一個(gè)難題和關(guān)鍵問(wèn)題,就是如何從高低不平的海底

2、基巖上將薄薄的一層鈷結(jié)殼破碎剝離下來(lái)。鈷結(jié)殼射流破碎方案為國(guó)際上推薦的兩種可能開(kāi)采方法之一,本文對(duì)該方案進(jìn)行了基礎(chǔ)研究,主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下:
　　 (1)建立了適用于破碎作業(yè)的高壓水射流噴嘴的流體動(dòng)力學(xué)仿真模型。
　　 (2)對(duì)深海環(huán)境下噴嘴水射流的內(nèi)、外部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,得到了5MPa,10MPa和15MPa三種典型圍壓環(huán)境下噴嘴內(nèi)部射流壓力、速度的變化規(guī)律和射流離開(kāi)噴嘴后的壓力、速度變化規(guī)律,并與非淹

3、沒(méi)狀態(tài)下噴嘴射流的性能進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明:隨著海水圍壓的增加,噴嘴出口的最大速度相應(yīng)下降,仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合,驗(yàn)證了選取的仿真計(jì)算方法基本合理；深海圍壓的大小對(duì)射流性能基本沒(méi)有影響,不同圍壓下的噴嘴射流形成的等速核外形和最優(yōu)靶距基本相同,深海最優(yōu)作業(yè)噴距約為3倍噴嘴直徑；與非淹沒(méi)環(huán)境相比,淹沒(méi)狀態(tài)下噴嘴射流沿軸向速度衰減迅速,其等速核長(zhǎng)度縮短約40％。
　　 (3)針對(duì)水的粒子特性,對(duì)水射流沖擊破碎鈷結(jié)殼和鈷結(jié)

4、殼模擬料建立了 SPH粒子耦合有限元(FEA)模型,通過(guò)對(duì)不同系統(tǒng)壓力下破碎結(jié)果分析:在相同條件下,鈷結(jié)殼和鈷結(jié)殼模擬料的成坑大小、成坑深度隨射流速度增大相應(yīng)增大。通過(guò)射流破碎鈷結(jié)殼過(guò)程的觀察,分析了射流破碎鈷結(jié)殼的機(jī)理。
　　 (4)通過(guò)25MPa以下系統(tǒng)壓力產(chǎn)生的水射流對(duì)鈷結(jié)殼模擬料進(jìn)行破碎實(shí)驗(yàn)得出:在非淹沒(méi)環(huán)境下,隨著系統(tǒng)壓力的增加,破碎成坑大小和破碎成坑深度相應(yīng)成增加趨勢(shì)；鈷結(jié)殼模擬料成坑深度隨噴距的增大而減少,而成坑直