水射流對鈷結殼的破碎研究.pdf

1、隨著陸地礦產資源的日趨枯竭和人類對海洋認識的日益深化,許多國家越來越重視海洋資源的開發(fā)和利用。深海鈷結殼是大洋底部最具吸引力的礦產資源之一,產出在水深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。由于其巨大的戰(zhàn)略意義和經濟價值,深海鈷結殼開采技術與裝備的研究已成為國內外研究的一個熱點。
　　 鈷結殼開采研究的第一個難題和關鍵問題,就是如何從高低不平的海底

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

3、沒狀態(tài)下噴嘴射流的性能進行了對比研究。研究結果表明:隨著海水圍壓的增加,噴嘴出口的最大速度相應下降,仿真結果與理論計算結果吻合,驗證了選取的仿真計算方法基本合理；深海圍壓的大小對射流性能基本沒有影響,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；與非淹沒環(huán)境相比,淹沒狀態(tài)下噴嘴射流沿軸向速度衰減迅速,其等速核長度縮短約40％。
　　 (3)針對水的粒子特性,對水射流沖擊破碎鈷結殼和鈷結

4、殼模擬料建立了 SPH粒子耦合有限元(FEA)模型,通過對不同系統(tǒng)壓力下破碎結果分析:在相同條件下,鈷結殼和鈷結殼模擬料的成坑大小、成坑深度隨射流速度增大相應增大。通過射流破碎鈷結殼過程的觀察,分析了射流破碎鈷結殼的機理。
　　 (4)通過25MPa以下系統(tǒng)壓力產生的水射流對鈷結殼模擬料進行破碎實驗得出:在非淹沒環(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成增加趨勢；鈷結殼模擬料成坑深度隨噴距的增大而減少,而成坑直