Conception et optimisation basées sur CFD–DEM d'un nouveau collecteur mécanique pour les nodules en eaux profondes

Avec la croissance soutenue de la demande en ressources métalliques pour batteries, l’attention mondiale se tourne vers le développement commercial des nodules en eaux profondes. Pour répondre aux contraintes liées à la grande perturbation environnementale, à la complexité structurelle ou aux limitations d’échelle des méthodes de collecte classiques, cette étude valide un nouveau collecteur mécanique à râteau rotatif en utilisant une approche couplée de dynamique des fluides numérique et méthode des éléments discrets (CFD-DEM). Sous des conditions minières représentatives, nous expliquons le principe de fonctionnement du processus de collecte par râteau rotatif et établissons une méthodologie de conception pour ses paramètres clés. Le mouvement composé des composants râteau-dent est capturé avec une méthode de maillage superposé, et des simulations analysent la dynamique de l’écoulement proche du lit sous différentes vitesses de rotation et de translation. En se concentrant sur la performance de collecte et la distribution de la position d’atterrissage, nous obtenons des paramètres optimisés pour une collecte optimale des nodules et proposons des recommandations pour l’aménagement de la zone de stockage. Enfin, des expériences en cuve avec des nodules de tailles mixtes ont corroboré les résultats couplés CFD-DEM. Les résultats indiquent que, dans la fenêtre de fonctionnement sélectionnée, une augmentation de la vitesse de rotation a un effet mineur sur la vitesse et la pression près du lit, tandis que la vitesse de translation impacte sensiblement la disposition de la zone de stockage et la distribution d’atterrissage des nodules. Sous les contraintes combinées d’une faible perturbation du fond marin et d’une collecte efficace, les réglages recommandés sont ω r = 26 rpm et v m = 0,5 m/s. Cette étude offre une nouvelle voie pour la conception de systèmes miniers en eaux profondes efficaces et à faible perturbation. • Un concept innovant de collecteur à râteau rotatif pour la récupération des nodules en eaux profondes est proposé. • Des simulations CFD–DEM et des expériences ont été utilisées pour étudier le collecteur à râteau rotatif. • Révèle les distributions du champ d’écoulement et le comportement des particules du collecteur à râteau rotatif sous différentes vitesses de rotation et de déplacement. • Fournit des plages de configuration des paramètres pour optimiser la performance de collecte.