为掌握矿浆泵内部颗粒的运动规律, 考虑颗粒的体积效应和相内碰撞效应, 应用CFD-DEM耦合算法, 对扬矿模型泵内的粗颗粒-海水两相流实施了双向耦合非定常流动计算, 分析了不同粒径的颗粒在矿浆泵内的空间分布和运动特征。研究结果表明: 采用两相耦合的求解方式可以较好地模拟矿浆泵内的两相流场特性; 流动域内颗粒浓度略高于管线平均值, 叶轮和导叶内颗粒与流体呈现明显的分层运动, 小颗粒获取的能量高于大颗粒, 颗粒的存在增加了局部漩涡和相内损耗。计算结果与试验结果吻合较好, 证明本文计算方法有效, 研究结论可为深海矿浆泵的高效无堵塞设计和分析提供理论支撑。

针对深海采矿泵管输送试验系统中Y形管内流场复杂和矿石泄露风险等问题，采用CFD-DEM方法，对不同速度、不同体积浓度和不同粒径的矿石颗粒进行数值模拟计算，分析了Y形管内颗粒群的运动特性和流场分布规律。结果表明，Y形管内流场分布受弯管曲率和Y形管入口流量分配影响; 颗粒群在弯管内贴壁流动，受到上升流作用后颗粒向上偏移; 当上升流流速不足、颗粒体积浓度高及颗粒粒径较大时，会造成颗粒沿着底部管道流失，随着上升流速减小、颗粒体积浓度增大及颗粒粒径增大，颗粒通过底部管道流失不断增大; 颗粒流的存在导致Y形管内低压漩涡区强度和尺度均减弱。

介绍了日本深海矿产资源开发运行机制，包括日本海洋政策、与海洋采矿相关的管理机构及实施机构以及日本海洋科技开发推进联络会议等协调机制，简述了日本海洋采矿领域的跨部门战略创新推行计划，并总结了日本在海洋采矿领域取得的研究成果。研究日本海洋矿产资源开发管理体系及其开发计划，可为我国制定深海采矿领域战略、投入机制及协调机制等提供借鉴。

对深海多金属结核集矿装置水力输送流场进行了理论计算，得到了多金属结核粒径与输送通道最小输送速度的关系；仿真分析了喷嘴射流速度分别为15、20、25 m/s时输送通道内水流流态分布，给出了流道下表面30 mm处的流速。在实验室进行了输送喷嘴不同射流速度的采集试验，实验结果与理论计算及仿真分析结果相符。

为探究深海多金属结核开采过程对海底沉积物的扰动情况,开展了不同射流速度、不同离底高度、不同行进速度条件下多金属结核采集头射流冲刷沉积物水池实验,探究了冲沟深度变化和沉积物迁移扩散规律。结果表明,多金属结核采集过程不仅冲刷沉积物颗粒,也会冲刷沉积物块,导致冲沟表面凹凸不平; 沉积物被扰动后,通过上层羽状流和底层重力流形式迁移扩散。

利用现代图像处理技术探测矿区内矿物基本形态结构、分布状态以及多金属结核的其他赋存数据时,为了进一步提高深海矿物评估精度,提出了基于Sea-thru和Mask R-CNN相结合的深海矿物图像分割系统。实验结果表明,Sea-thru能够对海底矿物图像进行有效增强,还原衰退的矿物图像,Mask R-CNN可提高矿物颗粒分割准确率,进而获取更加准确的矿物颗粒信息,提升矿物资源的评估精度。

为提高采掘机构滚筒的工作性能，采用离散单元法对不同工况下滚筒的切削过程进行了数值模拟。采用单因素分析法和正交试验法分析了切削厚度、转速、牵引速度对切削阻力、产能及比能耗的影响，以滚筒的切削阻力和比能耗为评价指标，利用矩阵分析法获得了最佳的滚筒工作参数。结果表明，随着切削厚度增加，切削阻力和产能均增大，比能耗减小; 随着转速增加，切削阻力和产能均减小，比能耗增大; 随着牵引速度增加，切削阻力、产能均增大，比能耗减小。滚筒最佳工作参数为：切削厚度50 mm、转速100 r/min、牵引速度0.06 m/s。

基于深海采矿非连续输送模式，设计了一种潜浮式提升舱，用于海底多金属结核的运输。根据潜浮式提升舱的功能需求进行了总体结构及布局设计，并通过流体仿真软件对其进行了水力学仿真分析，研究不同海况下提升舱的受力情况。计算结果表明，提升舱水平运动时，以压差阻力为主，主体所受的阻力最大; 提升舱竖直运动时，以声学仓迎流的姿态有利于减少侧向水阻力、提高提升舱的操作和控制性能; 在提升舱竖直运动时对不同海流速度下提升舱的受力情况进行了计算，结果表明，随着运动速度增加，X方向阻力变化明显增大，Y和Z方向受力情况变化较小。

对扬矿过程中多金属结核破碎粉化特性进行了试验研究。结果表明，扬矿过程中结核破碎程度明显，体积浓度6.5%时，粒径大于50 mm的多金属结核质量占比从75.58%降至23.78%；体积浓度15%时，粒径大于50 mm的多金属结核质量占比从51.51%降至10.08%。试验中结核存在粉化现象，体积浓度6.5%时，粒径小于0.1 mm的多金属结核粉末质量占比为1.79%，粉末中值粒径为10.07  μm；体积浓度15%时，粒径小于0.1 mm的多金属结核粉末质量占比为1.99%，粉末中值粒径为9.47 μm。基于试验数据估算，采矿1 000万吨多金属结核，粉末排放会造成上万吨Fe、Mn和上百吨Co、Ni、Cu金属损失，其形成的羽流扩散沉降后的最大再沉积厚度大于3 mm，会对环境造成显著影响。

取不同长度管道，以弹性约束代替升沉补偿装置作用，采用能量积分法建立管道的振动方程，使用有限元方法分析了扬矿泵安装在管道的不同位置时的动力学响应。结果表明，单载荷激励作用下，应力谐响应由小到大分别为:扭矩激励、波浪纵向激励、波流联合水平激励，三者联合且同相位激励时，系统谐响应显著增大; 扬矿泵安装位置从高往低下降时，管道最大等效应力呈现由大到小、再由小到大的变化规律，最大等效应力的极小值所对应的扬矿泵位置为次优安装位置。根据特定长度管道的扬矿泵次优安装位置，建立了扬矿泵的次优安装位置经验公式，为扬矿系统的定量设计提供参考依据

基于时域耦合分析法，建立了母船-深海采矿装备-脐带缆三维非线性水动力学模型，并对布放及回收过程中脐带缆的水动力响应特性进行了数值计算与分析。结果表明，4级海况时，深海采矿装备(水中重10 t)可以在速度0.8 m/s条件下安全布放和回收；在波浪和海流共同作用下，深海采矿装备在布放开始阶段和回收结束阶段都有强烈的振荡和摆幅，可安装防摇止荡装置来降低振荡和摆动。

基于ERA5再分析资料, 取海试区中心区域海洋环境数据构建输入特征, 使用灰狼优化算法(GWO)对支持向量回归(SVR)算法进行参数寻优, 并将GWO-SVR算法和传统SVR算法及基于粒子群算法(PSO)的PSO-SVR浪高预测效果进行比较和分析。为进一步探究周围环境及海浪状态对GWO-SVR预测效果的影响, 构建3种数据模型进行了63组试验。结果表明, GWO-SVR能够对海浪高度进行有效预测, 且预测精度较高; 当使用较大空间范围的海洋环境数据构建特征作为算法输入时, 能够有效提高GWO-SVR算法对海浪高度预测的精度。

研究了海底多金属结核水力式集矿系统在不同工况条件下产生的污泥浓度。结果表明,海底多金属结核水力式集矿系统中输送系统脱泥排放产生的污泥浓度远高于捕捉系统扰动底质淤泥产生的污泥浓度,是产生水体浑浊的主要原因之一。试验过程中污泥浓度变化曲线呈现先迅速上升后快速下降的变化趋势,随着捕捉系统水泵油压增大,污泥浓度增大; 输送系统水泵油压对污泥浓度影响不明显。

为了隔离中继站与软管及采矿车的相对运动,提出了一种坐底式深海采矿系统,建立了考虑波浪、海流等因素影响的采矿船、张紧器和输送管的全系统耦合分析模型,对各设计工况下张紧器张力、输送管等效应力以及挠性接头转角等参数进行了计算分析,结果均满足相关规范要求,验证了坐底式深海采矿系统的可行性和作业的安全性。

运用计算流体力学-离散元(CFD-DEM)方法对不同工况下球形、四面体形和六面体形颗粒群在垂直管流中的运动状况进行仿真分析,得到异形颗粒群垂直管道内的运动状况。对比分析了异形颗粒群在垂直管道中的局部浓度和局部流量,结果表明,入口流速较低时,颗粒形状对局部浓度影响较大; 给料浓度较大、入口流速较低时,颗粒形状对局部流量的影响明显。

采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,对输送泵内固液两相流进行数值模拟。应用欧拉-拉格朗日模型和Archard磨损模型,考虑固液两相之间的相互作用,探究颗粒粒径对输送泵叶轮磨损的影响规律及作用机制。结果表明,叶片是输送叶轮中磨损较为严重的部件,磨损集中在长叶片工作面出口和叶片进口位置; 随着颗粒粒径增大,叶片进口的磨损不断加重,而叶片工作面的磨损量下降,颗粒撞击叶轮工作面的几率减小,颗粒易冲击短叶片。

在分析多金属结核矿区环境特征的基础上，研究了连续链斗、自动潜浮穿梭采矿车以及各类管道提升模式应用于深海多结核矿物输送的具体特征及适应性。综合考虑机动性、干矿输送能力、布放回收作业效率、造价及运行成本、作业水深适配性、极端海况适应性、海底扰动适应性以及环境友好性等八个方面，建立涵盖多维度评价因素的数学模型以及适应性评价体系。分析结果表明，连续链斗以及管道戽斗提升模式不适用于多金属结核输送; 自动潜浮穿梭采矿车研发成本高，不具备经济适应性。随着水下装备可靠性提高，在可以高质量解决重介质密封问题的前提下，重介质管道提升有可能发展成为高效的深海多金属结核矿物输送模式。

为了研究深海采矿水下输送系统提升硬管选型设计的可靠性,以输送指标为设计输入,通过水动力学进行校核,根据多金属结核沉降速度确定提升硬管选用外径244.48 mm的P110钢级抗疲劳螺纹连接套管(壁厚20.24 mm),水池拖曳试验结果表明提升电泵上端硬管阻力系数为1.4,提升电泵下端硬管阻力系数为1.3。对水下输送系统按作业工况和布放工况分别进行水动力学计算,在海试作业环境下提升硬管安全系数满足API RP 2RD规范要求。在深海多金属结核采矿试验工程海上验收试验中,提升硬管满足各项输送指标要求,各接口间连接可靠,验证了提升硬管选型设计的合理性。

采用CFD-DEM耦合方法对多金属结核提升进行模拟，研究了垂直管道中不同旋转流场旋流比对水力提升多金属结核输运特性的影响。结果表明，随着旋转流场旋流比增大，旋转强度显著增强，流体流速最大值增大，颗粒群轴向平均速度增大。旋转流场的旋转强度明显影响管道内颗粒的速度分布: 速度大的颗粒逐步分布在管壁周围，速度较小的颗粒分布在管道中心处。旋转流场可降低颗粒群局部浓度，有利于降低因颗粒滞留效应引起局部浓度升高造成的输送管堵塞风险。