CFD-DEM-basierte Konstruktion und Optimierung eines neuen mechanischen Sammlers für Tiefseewarzen

Mit dem anhaltenden Wachstum der Nachfrage nach Batteriemetallressourcen richtet sich die weltweite Aufmerksamkeit auf die kommerzielle Erschließung von Tiefseewarzen. Um den großen Umwelteinfluss, die strukturelle Komplexität und Skalierungsbegrenzungen herkömmlicher Sammelmethoden zu adressieren, validiert diese Studie einen neuartigen rotierenden Rechen-Sammler unter Verwendung eines gekoppelten Computational Fluid Dynamics und Diskreten Elemente Methode (CFD-DEM) Ansatzes. Unter repräsentativen Bergbaubedingungen erläutern wir das Funktionsprinzip des rotierenden Rechen-Sammelvorgangs und etablieren eine Konstruktionsmethodik für Schlüsselparameter. Die zusammengesetzte Bewegung der Rechenzinken-Komponenten wird mit einer Overset-Gitter-Methode erfasst, und Simulationen analysieren die Strömungsdynamik in Bodennähe unter verschiedenen Rotations- und Fahrgeschwindigkeiten. Mit Schwerpunkt auf Sammelleistung und Verteilung der Ablageposition ermitteln wir zudem optimierte Parameter für eine optimale Warzen-Sammlung und liefern Hinweise zur Gestaltung der Ablagezone. Abschließend bestätigten Wasserbeckentests mit unterschiedlich großen Warzen die Ergebnisse der gekoppelten CFD-DEM-Simulationen. Die Ergebnisse zeigen, dass innerhalb des ausgewählten Betriebsfensters eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit nur einen geringen Effekt auf die Geschwindigkeit und den Druck in Bodennähe hat, wohingegen die Fahrgeschwindigkeit einen deutlichen Einfluss auf die Gestaltung der Ablagezone und die Verteilung der Warzenablage ausübt. Unter der kombinierten Vorgabe von geringem Meeresbodenstörungsgrad und effektiver Sammlung werden die empfohlenen Einstellungen mit ω_r = 26 U/min und v_m = 0,5 m/s angegeben. Diese Studie bietet einen neuen Weg zur Gestaltung effizienter Tiefseebergbau-Systeme mit geringer Umweltbelastung. • Ein innovatives Konzept eines rotierenden Rechen-Sammlers für die Gewinnung von Tiefseewarzen wird vorgestellt. • CFD-DEM-Simulationen und Experimente wurden verwendet, um den rotierenden Rechen-Sammler zu untersuchen. • Es werden Flussfeldverteilungen und Partikelverhalten des rotierenden Rechen-Sammlers unter verschiedenen Rotations- und Fahrgeschwindigkeiten aufgezeigt. • Parametereinstellungsbereiche zur Optimierung der Sammelleistung werden bereitgestellt.