深海マンガンクラスト回収のための新しい機械式収集装置のCFD-DEMに基づく設計および最適化

バッテリーメタル資源の需要の持続的な増加に伴い、世界的に深海ニoduleの商業開発に注目が集まっています。主流の回収方法の大きな環境撹乱、構造の複雑さ、または規模の制限に対処するため、本研究では結合された計算流体力学と離散要素法（CFD-DEM）アプローチを用いて新規の回転レーキ機械式収集装置を検証しました。代表的な採掘条件下で、回転レーキ収集プロセスの作動原理を解明し、主要パラメータの設計手法を確立しました。レーキ爪コンポーネントの複合運動はオーバーセットグリッド法で捉えられ、異なる回転速度と移動速度における床付近流れの動態をシミュレーションで解析しました。収集性能と着地点分布に着目し、最適なニodule収集のためのパラメータ最適化を行い、積み重ねゾーンの配置に関する指針を提供しました。最後に、混合サイズのニoduleを用いた水槽実験によりCFD-DEMの結果を裏付けました。結果は、選択した運転条件範囲内で回転速度の増加は床付近の速度および圧力にわずかな影響しか与えない一方、移動速度は積み重ねゾーンのレイアウトとニoduleの着地点分布に顕著な影響を及ぼすことを示しています。低床面攪乱と効果的な収集の両制約の下で推奨設定はωr = 26 rpm、vm = 0.5 m/sです。本研究は効率的かつ低攪乱な深海採掘システム設計の新たな道を提供します。・深海ニodule回収のための革新的な回転レーキ収集装置コンセプトを提案。・CFD–DEMシミュレーションと実験で回転レーキ収集装置を調査。・異なる回転速度および移動速度下での流れ場分布および粒子挙動を明らかに。・収集性能最適化のためのパラメータ設定範囲を提供。