Diseño y optimización basado en CFD–DEM de un nuevo colector mecánico para nódulos de aguas ultraprofundas

Con el crecimiento sostenido en la demanda de recursos metálicos para baterías, la atención global se está desplazando hacia el desarrollo comercial de nódulos de aguas ultraprofundas. Para abordar la gran perturbación ambiental, la complejidad estructural o las limitaciones de escala de los métodos de recolección principales, este estudio valida un novedoso colector mecánico de rastrillo rotativo utilizando un enfoque acoplado de dinámica de fluidos computacional y método de elementos discretos (CFD-DEM). Bajo condiciones representativas de minería, elucidamos el principio operativo del proceso de recolección con rastrillo rotativo y establecemos una metodología de diseño para parámetros clave. El movimiento compuesto de los componentes del diente del rastrillo se captura con un método de malla overset, y las simulaciones analizan la dinámica del flujo cercano al lecho bajo diferentes velocidades de rotación y desplazamiento. Enfocándonos en el rendimiento de la recolección y la distribución de la posición de aterrizaje, obtenemos parámetros optimizados para la recolección óptima de nódulos y proporcionamos orientación para la disposición de la zona de apilamiento. Finalmente, experimentos en tanques de agua con nódulos de tamaño mixto corroboraron los resultados acoplados CFD-DEM. Los resultados indican que, dentro de la ventana operativa seleccionada, aumentar la velocidad de rotación tiene un efecto menor sobre la velocidad y presión cerca del lecho, mientras que la velocidad de desplazamiento tiene un impacto pronunciado en la disposición de la zona de apilamiento y la distribución del aterrizaje de nódulos. Bajo las restricciones combinadas de baja perturbación del fondo marino y recolección efectiva, los ajustes recomendados son ω r = 26 rpm y v m = 0.5 m/s. Este estudio proporciona una nueva vía para diseñar sistemas de minería en aguas ultraprofundas eficientes y de baja perturbación. • Se propone un concepto innovador de colector de rastrillo rotativo para la recuperación de nódulos de aguas ultraprofundas. • Se utilizaron simulaciones CFD–DEM y experimentos para investigar el colector de rastrillo rotativo. • Se revelan las distribuciones del campo de flujo y comportamientos de partículas del colector de rastrillo rotativo bajo diferentes velocidades de rotación y desplazamiento. • Se proporcionaron rangos de configuración de parámetros para optimizar el rendimiento de la recolección.