《Computational Particle Mechanics》：The effect of particle concentration on the reflux performance of the lifting pumps
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本文針對深海采礦系統提升泵在緊急停機時因礦物顆粒沉降導致堵塞、重啟困難的問題，研究了顆粒濃度對泵內回流特性的影響。研究人員采用CFD-DEM耦合數值模擬方法，分析了不同濃度下（3%、5%、7%）球形顆粒在兩級提升泵停機回流過程中的分布、運動及碰撞特性。結果表明，隨著濃度升高，顆粒在葉輪和導葉處聚集加劇，液相回流受阻，顆粒平均速度降低，總碰撞頻率升高且在高濃度時呈線性增長，回流通過率顯著下降。該研究闡明了高濃度下顆粒行為加劇磨損和堵塞風險的內在機制，為提升泵的抗堵塞和耐磨設計提供了關鍵依據，對保障深海采礦系統運行可靠性具有重要意義。
深海的黑暗之中，蘊藏著豐富的多金屬結核等礦產資源，開發這些資源已成為國家的重要戰略。作為深海采礦系統的“咽喉”，提升泵負責將海底的礦石顆粒混合物揚升至海面。然而，這個關鍵環節存在一個致命風險：在運行過程中，設備可能因突發故障或斷電而緊急停機。一旦停機，混合液流中的礦物顆粒會在泵內沉降、堆積，很可能導致內部通道堵塞，使得整個采礦系統“癱瘓”而無法重啟，造成巨大的經濟損失和作業中斷。為了解決這個“卡脖子”難題，科學家們一直在探究顆粒特性（如尺寸、形狀）對提升泵停機后回流行為的影響，但對于同樣關鍵的顆粒濃度因素，此前缺乏系統性的研究。濃度升高是否會加速堵塞？又會如何影響泵的內部流動和磨損？為了回答這些問題，來自江蘇大學的研究團隊開展了一項深入的研究，其成果發表在《Computational Particle Mechanics》期刊上。
為了系統揭示顆粒濃度對提升泵回流性能的影響，研究人員首先構建了一個兩級固液兩相流提升泵的幾何模型 。研究采用了計算流體力學與離散元法（CFD-DEM）耦合的先進數值模擬方法 ，該方法將連續相（液相）和離散相（固相顆粒）進行雙向瞬態數據交換，能夠精確捕捉顆粒與流體、顆粒與顆粒以及顆粒與泵壁之間的復雜相互作用。為了驗證數值模型的可靠性，團隊還搭建了可視化閉式試驗臺 ，利用高速攝影系統 捕捉顆粒的實際運動軌跡，并將實驗結果與模擬結果進行對比 ，兩者吻合良好，證明了所建模型的準確性。研究設置了三種不同的顆粒體積濃度（3%, 5%, 7%），對直徑6毫米、密度1.5 g/cm3的球形顆粒在泵停機后的回流過程進行了系統的模擬分析。
研究結果從多個維度揭示了顆粒濃度對回流過程的深刻影響。
固體相顆粒分布：研究結果顯示，不同濃度下，顆粒在泵內的主要聚集位置不同。在二級泵中，顆粒主要堆積在導葉和葉輪的交界區域 ；而在初級泵中，顆粒則高度集中在初級葉輪出口附近 。隨著濃度從3%增加到7%，兩個泵級內的顆粒分布都顯著變得更加密集，顆粒堆積范圍從交界處逐漸擴散到葉輪和導葉的流道內部，形成了明顯的流動阻塞現象。相應的，液相的流速也受到顯著影響，高濃度導致高速區面積縮小、最大流速降低，尤其是在初級泵內，速度分布變得更為紊亂 。
回流運動特征：通過對不同時刻顆粒運動軌跡的分析 ，研究發現顆粒在泵內的總回流時間在不同濃度下變化不大，但主要聚集區域發生了變化。隨著濃度升高，顆粒在二級泵內聚集的趨勢增強，特別是在7%濃度下，二級泵導葉葉片壓力面出現了大量顆粒沉積。這表明高濃度不僅加劇了堵塞，還改變了堵塞發生的主要位置。
顆粒平均速度分布：研究繪制了不同濃度下顆粒平均速度隨時間的變化曲線 。所有濃度下，顆粒平均速度均呈現先短暫升高（在延長管道中重力加速）、隨后下降（進入泵后因碰撞耗能）、最后趨于穩定的趨勢。值得注意的是，穩定后的平均速度隨濃度升高而降低，分別為1.35 m/s (3%)、1.2 m/s (5%) 和1.16 m/s (7%)。較低的平均速度意味著回流過程中有更多顆粒處于低速或靜止狀態，直接反映了回流效率的下降。
顆粒碰撞特征：碰撞分析揭示了濃度影響流動穩定性的微觀機制。總碰撞次數隨時間增加，且在3%和5%濃度下，碰撞次數在大約2.3秒后趨于穩定，但在7%的臨界濃度下，碰撞次數呈現持續線性增長，無法達到穩定階段 。這表明高濃度下顆粒過于擁擠，超過了流場驅動的分散能力，系統無法達到動態平衡，堵塞風險急劇升高。此外，在所有濃度下，顆粒-顆粒碰撞都是最主要的碰撞類型，并且其占比隨濃度升高而增加；與此同時，顆粒與泵過流部件的碰撞比例下降，其中與二級導葉的碰撞比例顯著上升 。這為耐磨設計指明了關鍵靶點。
顆粒回流性能：研究人員定義了回流通過率（4秒內流出泵的顆粒數與流入顆粒數之比）來量化回流效率。結果顯示，濃度從3%增至5%時，通過率從58.68%降至53.36%；濃度從5%增至7%時，通過率進一步驟降至41.27% 。這清晰地表明，顆粒通過率隨濃度升高而顯著降低，且濃度越高，下降速率越快。
綜上所述，這項研究通過嚴謹的CFD-DEM耦合模擬與實驗驗證，系統闡明了顆粒濃度對深海采礦提升泵停機回流過程的復雜影響。研究結論深刻且具有多重指導意義：首先，它精準定位了高濃度下流道堵塞風險最高的區域——兩級葉輪與導葉的交界處及流道內部，為抗堵塞的流道優化設計提供了明確方向。其次，研究發現顆粒平均速度隨濃度升高而降低，這為工程實際中確定安全、高效的輸送濃度范圍提供了關鍵判據，避免泵在超高濃度下陷入低效、不穩定的運行狀態。第三，研究揭示了在7%的臨界濃度下，顆粒碰撞次數無法達到穩態而持續線性增長，這為泵的安全控制系統提供了一個重要的早期預警參數。最后，碰撞目標分布的變化規律，特別是顆粒-顆粒碰撞主導以及二級導葉碰撞比例顯著上升的發現，為提升泵的耐磨設計提供了精準目標，指出應對二級導葉等關鍵部件進行材料強化，以顯著延長泵的使用壽命。這項研究不僅填補了顆粒濃度對提升泵回流性能影響系統性研究的空白，其結論對深海采礦裝備的可靠性設計、安全運行和壽命預測具有重要的理論價值和工程指導意義。
