先聚后采双侧附壁脉动射流式海底矿粒采集装置

本发明涉及一种海底水力集矿装置，尤其涉及一种先汇聚后采集的双侧附壁脉动射流式深海集矿装置，属于流体机械与控制。

背景技术：

1、深海水力集矿是目前有望解决陆地矿产供给不足问题的关键途径之一。深海蕴藏着包含多金属结核、富钴结核、多金属硫化物等在内的丰富的矿产资源，因此发展可靠、高效、环境友好型集矿技术将对缓解我国金属资源对外依存度高等问题至关重要。

2、现有技术的不足及原因：

3、1)现有水力集矿方法因流场未合理设计优化、流态单一等，普遍在集矿效率、环境扰动和能耗等方面具有不足。

4、2)现有附壁式水力集矿装置采用单侧曲壁恒定射流的集矿方法，在集矿过程中流场内存在不利于矿粒提升的滞留区，能耗较高，且矿粒在起动过程中易与壁面接触，难以满足海底集矿的高效低扰动需求。

5、3)现有海底采矿车的设计，采矿车行进时只能采集到位于集矿头宽度范围内的矿粒，且集矿头宽度不超过采矿车主体宽度，在矿粒分布密度较低的矿区开展采矿作业时需要规划较长的行进路线，矿区遍历面积大、经济性差且环境扰动大。

6、对比专利文件列表：

7、cn115123503 a，一种全地形海底采矿车行走装置，公开日2022-09-30；

8、cn217001843u，集矿头及海底采矿车，公开日2022-07-19；

9、cn114109390a，一种海底采矿车的复合收集机构及其使用方法，公开日2022-03-01；

10、cn113187483a，一种水下采矿车，公开日2021-07-30。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是：现有深海水力集矿技术方案中的矿粒采集率低、能耗大、环境扰动程度大等问题。

2、本发明提出了一种可实现“先聚后采”作业模式的双侧凸曲壁附壁脉动射流式海底集矿装置，具体采取以下技术方案：

3、一种先聚后采双侧附壁脉动射流式海底矿粒采集装置，包括：矿粒富集机构，其包括在集矿头前方的两侧对称安装的一对外扩式射流喷嘴，一对外扩式射流喷嘴的方向为：水平面视角下，各自对准二者之间的斜后方的方向；立面视角下，各自倾斜向下；双侧凸曲壁集矿机构，其包括设于集矿头的前后侧的各一排的射流喷嘴7、8，两排射流喷嘴7、8的方向为：水平视角下，相向设置；立面视角下，各自倾斜向下；所述矿粒富集机构与双侧凸曲壁集矿机构之间形成对称的两路集矿水流循环。

4、本技术方案实现【矿粒富集装置设计】——功能性拓展：在传统采矿车设计方案中，采矿车行进时只能采集位于集矿头宽度范围内的矿粒，在矿粒分布密度较低的矿区工作时规划的行进路线较长，经济性较差。而本发明通过前置矿粒富集装置，基于一对对称的外扩式射流喷嘴，将集矿头宽度范围外的矿粒预先富集到集矿头作业宽度范围内，再进行采集(实现“先聚后采”)，能够增加矿粒开采的实际宽度范围。同时，本发明将集矿装置与富集装置划分为高、低能量密度区两部分。矿粒富集装置工作区水泵输出的射流能量密度较小，既能保证起到矿粒富集的效果，又能避免富集过程造成底质稀散致使履带压陷等问题的发生。集矿装置工作区输出高能量密度的射流，可有效提高集矿头的采集率。两者互相配合工作，实现了能量的合理分配，可有效节约能耗。

5、本技术方案【采用循环流开展作业】：矿粒富集机构与双侧凸曲壁集矿机构之间形成对称的两路集矿水流循环。利用循环流进行作业，降低了对环境的扰动程度。集矿装置中的水泵会通过管道将已经与矿粒分离的海水-沉积物混合物反复循环流动，在集矿头附近保持较高的沉积物颗粒浓度，促进沉积物的絮凝沉淀，降低颗粒扩散程度，最大程度减少污染。

6、优选的，还包括供水管路系统，其上设有第一流量分配阀5和第二流量分配阀6；所述第一流量分配阀5分为两个出水口，分别对应：位于一侧的外扩式射流喷嘴和位于另一侧的外扩式射流喷嘴；所述第二流量分配阀6分为两个出水口，分别对应：位于集矿头后方的第一射流喷嘴(8)，位于集矿头前方的第二射流喷嘴7。

7、进一步的，所述一对外扩式射流喷嘴的喷射方向的上方设有对喷射水流起到导向作用的挡板13。

8、更进一步的，所述挡板13固定在一对橇板上，所述橇板通过弹性装置与集矿头固定连接，且使得所述挡板13与海底接触时，所述集矿头与海底具有一可调的间距。

9、进一步的，所述供水管路系统包括水泵4，所述供水管路系统的水泵4采用脉动式射流的方式。

10、更进一步的，所述水泵4采用一对，各自作为所述两路集矿水流循环中其中一路中的一个环节。

11、再进一步的，所述水泵4的进水口设有一滤网3，在滤网7的作用下，矿物颗粒和海水-沉积物混合物实现分离：矿物颗粒向下落入储矿箱中，海水-沉积物混合物穿过滤网7后沿着水泵4两侧的排水管道向所述流量分配阀5输送；所述排水管道各自作为所述两路集矿水流循环的其中一路中的一个环节。

12、进一步的，所述第一射流喷嘴8、第二射流喷嘴7的出口上方的集矿管壁设计为向下凸起的流线型凸曲壁结构，当矿粒被富集到集矿头的作业区域后，集矿头前后两处的第一射流喷嘴8、第二射流喷嘴7按设定的流速比喷出高速射流，利用康达效应对赋存于海床表面的矿粒进行冲刷、松动、剥离、推移、抬升，高速水流在流线型凸曲壁结构的近壁面和远壁面处形成高低压力差，使矿粒具有沿着曲壁向集矿出口移动的趋势。

13、本技术方案实现【双侧凸曲壁集矿头设计】——几何结构创新：对集矿头进行了几何结构的优化，以解决目前国内、国际上主流集矿方式存在的问题：射流冲采式的矿粒采集率较高，但能耗较大、对海底沉积物扰动较大；单侧附壁射流式会产生漩涡扰动流场，导致采集率不够理想，采矿过程中所需流量大，颗粒轨迹无优化的问题。本发明设计了线形更加流畅的双侧凸曲壁集矿头，替代原有单侧凸曲壁，采集效率更高、有效消除了漩涡、优化了颗粒运动轨迹。在相同流量下，双侧凸曲壁集矿头的矿粒采集率总大于单侧凸曲壁。并且，双侧凸曲壁的采集率增大速率随流量的增大有减小的趋势。同时，本发明解决了单侧凸曲壁集矿模型中输矿方管内回流区域附近存在较大局部低压区的问题，使得矿粒运动轨迹更优。可实现高效率、低能耗、低扰动的海底矿粒采集，所需流量更少，采集性能更加稳定。

14、本发明的有益效果在于：

15、一、矿粒采集率提升

16、双侧凸曲壁集矿头有效消除了漩涡，解决了单侧凸曲壁集矿模型中输矿方管内回流区域附近存在较大局部低压区的问题，从而优化了颗粒运动轨迹，相较于相同流量下的单侧凸曲壁，显著提升了矿粒采集率。

17、二、能耗少，效率高

18、1、采矿车前置矿粒富集装置将集矿头宽度范围外的矿粒预先富集到集矿头作业宽度范围内，再进行采集，大大增加了采矿车有效集矿宽度，提高了采集效率。集矿装置和富集装置互相配合，实现了能量的合理分配，节约能耗。

19、2、现有水力集矿装置中，水泵和附壁射流喷嘴都消耗了一定的能量。本发明运用循环流作业，将分离后的海水-沉积物混合物直接循环用于聚集矿粒和射流冲采作业，从而降低了由附壁射流喷嘴所产生的能耗。

20、三、环境扰动程度更低

21、相比传统海底集矿方式，附壁射流集矿方式不直接接触深海底质，对环境的扰动程度更小；且通过循环流作业模式，可以将随矿粒一起被提升的海水-沉积物混合物尽可能多地释放回原来的位置，提升沉积物浓度，促进沉积物絮凝沉降，最大程度减少对海底生态的破坏。