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针对深海矿物开采中传统轴流混合输送泵存在的部件磨损和堵塞问题，本研究提出一种新型轴流泵结构，并采用计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）和熵生成分析，系统研究了不同颗粒直径（5-20mm）和浓度（5-20%）对泵性能及内部流动特性的影响。结果表明：颗粒尺寸增大或浓度提高均显著降低泵头（最大降幅达10.15m）和效率（最大降幅18.61%），且粗颗粒易在导叶附近堆积形成间歇流态，高浓度下频繁颗粒碰撞导致涡流和滞流。研究为优化深海矿物输送泵的设计提供了理论依据。
Kexin Wu|Tao Ren|Zuchao Zhu|JinHyuk Kim|Wenjin Li|Xianghui Su
中国浙江省科学技术大学多流与流体机械重点实验室，杭州310018
摘要
混合输送泵是深海矿物开采液压提升系统中的关键驱动部件。与传统使用轴驱动结构的泵相比，新型无轴混合输送泵有效解决了诸如轴磨损和密封失效等一系列问题，从而确保在含有大量颗粒和密集悬浮物的恶劣工作条件下的足够稳定性。本文采用计算流体动力学-离散元方法建立了无轴混合输送泵中固液两相流的数值模型，系统研究了颗粒直径（5毫米至20毫米）和颗粒体积浓度（5%至20%）对液压输出和内部流动行为的影响。研究结果表明，颗粒尺寸或固体浓度的增加会导致泵头和运行性能显著下降：颗粒直径从5毫米增加到20毫米时，泵头下降10.15米，效率降低18.61%；颗粒浓度从5%增加到20%时，泵头下降6.18米，效率降低12.94%。5毫米的细颗粒表现出均匀分布和强烈的流体跟随特性，而20毫米的粗颗粒则倾向于在导叶附近的不活跃区域积聚，形成间歇性流动模式。在颗粒浓度为20%的情况下，频繁的颗粒碰撞会在叶片通道中产生低速涡流，并促进颗粒滞留。大颗粒的滑移速度始终高于小颗粒，并且在稀薄条件下略高。压力梯度力显著超过阻力，在叶轮部分呈现上升-下降趋势，这一现象在颗粒大、密度高的情况下更为明显。熵生成分析表明，能量耗散随颗粒尺寸和浓度的增加而增加，其中导叶贡献了约80-87%的总熵产生。
引言
随着人类对陆地矿产资源的日益开发，其可用储量正在稳步减少。深海被视为巨大的矿产资源库，探索和利用海底沉积物有望缓解全球能源短缺问题[1]。然而，深海采矿面临着极端的环境条件，包括缺乏阳光、巨大的静水压力和极低的温度[2]。工程技术的不断进步和专用设备的研发对于实现大规模商业化的深海矿物开采至关重要[3]。如图1所示，这类系统通常包括海底采矿车辆、柔性软管、液压输送管道以及设计用于将从海底收集的固液混合物输送到地面平台的混合浆泵。作为海底采矿液压输送系统中的核心动力装置，混合输送泵因其性能效率和运行可靠性而受到持续的研究关注[4]。尽管各国都在不断进行开发努力，但这些泵在处理高要求下的固液两相流时仍面临重大技术挑战。
Kuntz[6]开发了一种六级混合输送泵，能够在约5200米深度的海底提取大量多金属结核。然而，由于内部泵部件严重磨损且难以更换，采矿作业被迫中断。Zou[7]基于KSB开发的混合输送泵设计了一种两级轴驱动混合输送泵，但在输送直径为50毫米的颗粒时出现了堵塞现象。类似地，Yoon等人[8]根据KSB的模型设计了两级轴驱动混合输送泵，发现测试过程中结核会在流道内堵塞。Yamada和Yamazaki[9]开发了一种四级潜水电动泵，观察到在高浓度悬浮液输送过程中颗粒容易回流。Rogers[10]设计的混合输送泵在流量为1000立方米/小时、颗粒体积浓度为12%的情况下表现出显著的内部磨损。尽管全球研究人员进行了广泛研究并在解决混合输送泵相关问题方面取得了显著进展，但颗粒堵塞和部件表面磨损等问题仍需进一步解决[11]。
为了解决颗粒堵塞和部件磨损问题，提出了一种无轴混合输送泵的结构设计方案。图2展示了轴驱动混合输送泵与无轴混合输送泵在结构原理上的差异。与轴驱动类型相比，无轴混合输送泵采用无轴多级驱动模块，泵体和潜水电机构成一个整体电动泵。通过控制电动泵的转速，可以调节混合输送泵的流量。无轴设计消除了驱动轴和联轴器等机械部件，将电机转子直接与叶轮组件集成在一起，从而简化了泵的结构并提高了系统的紧凑性。此外，无轴驱动方式避免了长轴常见的振动和变形问题。短电机转子具有高刚性，有效降低了传动损失。在轴驱动混合输送泵中，流道被驱动轴和联轴器分割，而无轴设计则使流道从入口到出口连续不断，减少了流体与轴部件的相互作用。因此，无轴混合输送泵在结构设计、传动效率和流道设计方面具有显著优势。
无轴混合输送泵为颗粒堵塞和部件磨损等问题提供了创新解决方案，但需要进一步研究以明确其内部固液两相流的行为及其相关的能量损失。随着计算硬件和流体模拟工具的不断发展，许多研究已经探讨了混合输送泵的内部流体动力学特性。计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）在处理大颗粒方面表现出很强的可靠性。Deng等人[13]应用CFD-DEM研究了不同分隔板长度对六级混合输送泵性能的影响，发现100毫米的分隔板可使第一级的泵头提高4.08%，同时降低局部颗粒密度并减少回流。Shao等人[14]使用CFD-DEM评估了颗粒尺寸对输送行为的影响，发现细颗粒在高固体含量下表现更好；而粗颗粒在低浓度下效率更高。Wang等人[15]采用CFD-DEM耦合策略研究了离心泵中不同颗粒尺寸下的叶片泄漏涡流行为和侵蚀现象，发现较大颗粒直径会导致更稳定的涡流生成，同时加剧叶轮叶片压力侧前沿和吸力面后缘的磨损。Pang等人[16]使用CFD-DEM分析了涡轮泵中的颗粒路径，发现V形叶片头部可以减少颗粒积聚和碰撞事件。Lv等人[17]通过CFD-DEM探讨了颗粒滑移速度与泵头之间的关系，发现较高的泵头与叶轮入口处的滑移减小相关，但出口处的滑移增加。Li等人[18]研究了不同速度下叶片表面的颗粒分布，发现更快旋转会产生更连贯的运动和更少的碰撞，从而提高输送效率。Wang等人[19]使用CFD-DEM评估了固体浓度、颗粒尺寸和失速严重程度对离心泵流动的影响，得出严重失速导致的堵塞程度远大于临界失速。相比之下，浓度或尺寸的变化影响较小。Hu等人[20]使用CFD-DEM模拟了深海隔膜泵，观察到高浓度下颗粒呈螺旋运动并在排放前沉降。Wang等人[21]使用CFD-DEM研究了颗粒尺寸（5毫米、10毫米和15毫米）对混合输送泵性能的影响，发现较大颗粒会降低泵头和效率，并促进颗粒在叶轮和导叶通道中的积聚。
混合输送泵的内部流体动力学非常复杂，在处理固液两相流时能量耗散不可避免。许多学者利用熵生成框架研究了此类泵中的能量损失过程。Xie等人[22]使用熵生成方法评估了不同颗粒尺寸和浓度下混合输送泵的能耗，发现导叶在设计工作点时的能耗最高，其次是叶轮，颗粒滑移速度和碰撞是主要损失因素。Li等人[23]应用熵生成方法研究了固体相体积分数的变化对内部耗散的影响，发现固体含量的增加显著降低了泵头和效率，损失主要集中在叶轮和导叶通道。Zhao等人[24]使用该方法研究了不同液体粘度对离心泵整体性能指标和内部能量耗散的影响，发现粘度增加会导致泵头和效率逐渐下降，同时总熵产生增加。在高粘度条件下，主要损失途径是直接耗散和与壁面相关的熵产生。Gad等人[25]研究了不同流量下的叶轮和蜗壳区域，发现较高流量会加剧涡流活动，并在叶轮出口和蜗壳舌部形成高熵区域。Sakrand等人[26]评估了叶片包角的变化对损失性能的影响，发现角度增大可改善损失情况，尤其是在叶片吸力侧。Miao等人[27]在多种运行状态下研究了双吸离心泵，发现湍流和壁面熵产生占总耗散的较大份额。Li等人[28]研究了不同空化水平下的混合流泵，发现湍流耗散是主要损失来源，热点集中在叶片后缘。Wang等人[29]分析了离心泵中的空化流动效应，得出严重空化会显著改变流动结构并扩大高熵产生区域。
尽管CFD-DEM方法和熵生成分析已被广泛应用，但以往的研究使用的流体属性和泵结构与无轴混合输送泵存在显著差异。此外，关于复杂颗粒条件下无轴混合输送泵的研究仍然有限。本研究结合了CFD-DEM技术和熵生成分析，全面研究了不同颗粒直径和体积分数条件下无轴混合输送泵叶轮区和导叶区的流动行为及相关能量耗散过程。
数值方法
本研究采用双向耦合的CFD-DEM方法来研究颗粒输送。虽然欧拉两相模型（混合模型或体积分数模型）具有更高的计算效率，但它无法准确解析颗粒轨迹、碰撞或壁面接触效应。这些因素对于磨损评估和预测颗粒分布至关重要。相比之下，完全拉格朗日方法虽然与流体方程解耦，但忽略了这些因素的影响。
结果与讨论
该部分分析了在颗粒浓度为10%、颗粒直径分别为5毫米、10毫米、15毫米和20毫米的情况下，以及颗粒直径为10%、浓度分别为5%、10%、15%和20%的情况下，无轴混合输送泵的内部流动特性、颗粒输送能力和能量耗散情况。
结论
本研究采用CFD-DEM框架结合熵生成方法，研究了无轴混合输送泵中的颗粒运动行为和能量耗散机制。主要研究结果如下：
颗粒尺寸和体积分数对泵内的颗粒运动模式有显著影响。直径为5毫米的颗粒在流道中均匀分布，具有优异的流体跟随能力。
作者贡献声明
Kexin Wu：负责监督、资金申请、数据分析、概念构思。Tao Ren：负责撰写初稿、可视化处理、验证、软件应用、方法设计及实验研究。Zuchao Zhu：负责撰写、审稿与编辑、项目管理工作。JinHyuk Kim：负责撰写、审稿与编辑。Wenjin Li：负责撰写、审稿与编辑。Xianghui Su：负责监督工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2801500）和浙江省多流与流体机械重点实验室（项目编号：2024E10006）的支持。
