英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
海洋采矿浊度源建模
F. van Grunsven1，GH Keetels2和C. van Rhee3
摘 要：环境影响的准确预测仍然是近海采矿项目许可阶段的一项重大挑战。近海采矿对环境的很大一部分影响是由海洋水域的浑浊度增加造成的。由于在开挖过程中泥沙的悬浮以及回水和尾矿排入海洋，使浑浊度增加。目前的共识规定，在海底附近释放排放物以减小浊度羽流的影响面积。主要的工程选择仍然是一个挑战。可用的工程模型和软件无法包含湍流的泥浆混合物和（深）海底之间的相互作用。这给浊度源的预测带来了不确定性。当源作为长期和远场环境影响计算的输入时，不确定性增加。
提出了一个旨在开发一个数值模型的研究程序，该模型将能够模拟湍流的浊度源及其与水下床的相互作用。通过使用开源CFD软件和三维大涡模拟湍流模型，预计在主要输运过程的预测方面会有显著的改进。本文提出了两个数值验证案例，以证明为该应用选择模型的可能性和准确性。目前，引入的模型仅限于用失重示踪粒子来表示夹带的固体颗粒。在不久的将来，该模型将能够包含密度梯度和颗粒沉降，从而提高高浓度放电的应用精度。
关键词：浊度产生；近场羽流弥散；大涡模拟
引言
由于陆地上的战略矿物资源日益稀少，在海底发现的大量宝贵矿物可以在不久的将来提取出来。然而，预测采矿活动所造成的环境影响仍然具有挑战性，因为对通常发现这些矿物的较深水域环境的了解相对稀少。考虑到在更深的和国际水域采矿可能产生的影响(例如Halfar和Fujita 2007, WOR 2014)，提高环境影响预测的可靠性和准确性目前是海上采矿业的重中之重。
评估近海采矿项目对环境的影响的早期研究和发展可以追溯到几十年前的红海（Thiel等，1986）和克拉里昂-克利珀顿地区（Oztergut 1981）。Schriever（2009）概述了截至2012年近海采矿的主要环境影响研究。在最近的一项研究中，Ortega等人。（2014）制定了一个环境影响研究评估框架，确定了主要压力和知识差距。
一些环境压力被限制在采矿活动附近的一小区域。但是，在水流的影响下，浊度羽流可能会在各个方向上扩散数英里，直到完全沉降或稀释（Schriever和Thiel 2013）。缓解措施应降低浊度羽流对相邻生态系统中的敏感受体（例如冷水珊瑚）造成（永久性）损害的风险。
浊度羽流
在开挖过程中以及从输送系统中排出回水时，浊度羽流是其在基底扰动中找到其源头。产生的矿石以泥浆形式通过提升管运输到采矿平台。泥浆到达平台后，便会通过各种筛子和过滤系统，将有价值的矿石与水中分离。经济的截留等级定义了有价值的固体的尺寸范围，从而定义了过滤过程后残留在回水中的残留固体的粒径分布。带有残留固体（泥浆）处理后的水，通过排水管流回船下方的海洋，形成浊度羽流。
图1.海洋采矿的浊度源示例（改编自NIOZ 2014）
1代尔夫特理工大学3mE博士，离岸和ed工程科，Mekelweg2，2628 CD，代尔夫特，荷兰，电话: 3115
2783583,电子邮件: f.vangrunsven@tudelft.nl.
2代尔夫特理工大学3mE系海洋与疏ed工程科，助理教授，Mekelweg2,2628 CD，代尔夫特，荷兰，电话： 31152784057, ghkeetels@tudelft.nl.
3代尔夫特理工大学3mE系海洋与疏ed工程科全职教授，Mekelweg2,2628 CD，代尔夫特，荷兰，电话： 31152783973, c.vanrhee@tudelft.nl.
经济边界品位取决于开采的矿物类型和特定地点。尽管公共资源稀少，但70年代的三项深水田间测试却发布了测得的羽流数据（Schriever和Thiel,2013;Ozturgut等，1981）。该数据以及Nautilus Minerals Ltd.的Schriever and Thiel（2013）的勘探前景在表1中列出。该数据显示了排放水中的最大粒径范围为8mu;m至1 mm，尽管悬浮固体浓度（SSC）约为5-15 g / L。粒径差异较大主要是由于使用的筛子和过滤器的不同组合。
表1.回水特性的公共数据
|
项目 |
粒径 |
悬浮物浓度 |
|
梅塞达（1977-81） |
lt;20微米 |
10 -14 g/L |
|
金属泥 |
||
|
圆顶巨蛋（1978） |
lt;1000微米 |
12.7 plusmn;9.56 g/L amp; 6.8 plusmn;5.61 g/L |
|
锰结核 |
||
|
巨蛋巨蛋（1978） |
lt;64微米 |
5.8 plusmn;3.91 g/L |
|
锰结核 |
||
|
索尔瓦拉 1 (-) |
lt;8微米 |
6 g/L |
|
海底块状硫化物 |
||
减轻羽流冲击
最初的采矿概念考虑将回水从船舶甲板排放到地表水中，这是一种经济且高效的方法，也有助于监控作业。然而，环境影响评估研究建议将悬浮固体淹没，以避免对各种水柱过程的干扰（ Thiel等，1986）。Schriever和Thiel（2013）列出了可能受浊度羽流干扰的水柱过程，按深度不同的区域：
- 初级生产区；最大的水生养分，如藻类和浮游生物（水深 50 m）
- 赤海带;日光穿透极限（200 m）
- 海洋哺乳动物高度垂直迁移的区域（500 m）
- 最小氧气区（1000 m）
列出的水深是指示值，并且会因位置和季节而异。Schriever和Thiel（2013）指出，通过排到海底附近可以最大程度地减少干扰任何水柱过程的风险。Nautilus Minerals Ltd.对其Solwara 1采矿场采取的缓解措施与该建议相一致，方法是选择距海床25至50 m之间的回水（Nautilus 2008）。期望接近海床的排放将浊度羽流限制在下部水柱中，从而减小撞击面积并加速悬浮颗粒的沉降。
剩下的挑战是为各种放电条件定义最佳的放电深度。在海底附近排放回水可能会通过（再）悬浮细粉而引发次级羽状流，从而可能增加而不是减少对环境的影响。羽状流的近距离（近场）计算可以确定相对于海底的最佳排放距离。但是，由于缺少有关此过程的基本知识，因此可用的源模型（例如Jetlag或Cormix）缺乏捕获分析建议的缓解措施所需的羽状海床相互作用的能力。
增加可用模型的适用性将促进对海床邻近放电的研究，并因此促进载有颗粒的海床侵蚀的复杂物理过程。所获得的知识可用于开发创新的缓解影响解决方案，并改善排放系统设计优化的模型。
为了扩展现有浊度源模型的适用性，提出了一种更基本的方法来解决浊度源与（深）海环境之间的相互作用。接下来的部分概述了现有的浊度源模型，然后提出了一种研究方法。最后两节介绍了当前的研究进展，并提出了进一步改善结果的措施。
理论背景
普通文献将泥浆排放定义为具有负浮力的射流，或简单地定义为负浮力射流。放电是一个连续的动量源，并且比周围的流体密度更大（由于存在悬浮固体）。回水流量为完全湍流，雷诺数约为105，远高于Re〜103的湍流转变点。湍流射流对混合物的稀释非常有效。大规模湍流在射流切变层处卷吸周围的水进入射流，有效的增加了射流传播时的体积流量。在射流的中心，小规模的湍流运动将夹带的水与泥浆混合，从而稀释混合物。
应该注意的是，浊度羽流的发展包括很大范围的尺度（毫米至千米）。作为一个初始步骤，通过定义主导物理过程的多个尺度来分析问题。
横流中的湍流浮力射流
根据Fernando等人（2013）的定义，浊度羽流可以通过三种主要方式进行定义：
- 近场，靠近出口，由排放条件决定，
- 由分层作用的增加或与边界（如海底）的相遇导致的中间状态，
- 远场，受环境条件（例如环境电流、科里奥利）的控制。
近场的发展以及向远场的过渡决定了进入远场时羽流的状态，大小和位置。这强调了精确可靠的近场模型与远场模型转换的必要性，因为不准确的结果也限制了大时空尺度（远场）预测的准确性。
基本定理可以追溯到Fan（1967）的工作，并发展了圆形浮力射流在分层或流动环境流体中扩散的一般模型。Fisher等人概述了湍流射流理论的早期发展（1979年）。近几十年的发展可以在Lee和Chu（2003）和Jirka（2004）找到，他们通过扩展的实验数据的数据库扩展了现有理论的适用性。
Fisher等人提到的早期理论贡献。（1979年）包括基于维度分析的射流和羽流状态之间的转换估计：
|
M 3 / 4 |
||
|
L m |
0 |
(1) |
|
J 1 / 2 |
||
|
0 |
其中Lm是射流到羽流的过渡长度标度[m]，M0是流量动量[m3/ s2]，J0是通过孔口的初始浮力通量[m4/ s3]。该方程可用于估算在距泄漏点任意距离处的排放行为是喷流还是羽流。有了这些信息，就可以应用其他半经验关系（Lee和Chu 2003,Jirka 2004）来大致确定射流或羽流特性（例如中心线速度或宽度）。但是，环境条件会在一定距离后影响射流和羽流行为。这些影响很难用半经验模型来估计，因为主要假设（自相似性和夹带假设）不再成立。作为第一个估计，下面的方程可以大致确定从横流改变羽流轨迹的起始点的距离（Fisher等，1979）。
|
L |
b, plume |
|
J |
0 |
(2) |
|
u |
3 |
||||
|
a |
其中Lb,plume是羽流的横流影响距离[m]，ua是环境电流的速度[m / s]。射流和羽流的流动特性可以通过使用专用的半经验关系来预测，直至达到横流施加点。为了确定在施加点之后的排放物的流动特性，需要积分模型（例如，Cormix或Jetlag）。这些积分模型还能够考虑到排放口的任意倾斜角度和周围水域的分层。
积分模型是以确定湍流夹带水量的夹带模型为基础的。假设在射流和羽流的整个界面都可能夹带水，则可用的夹带模型可以认为是准确的。但是，如果射流或羽流与边界相互作用，阻止或减少了局部水的夹带，则该假设不成立。受边界的影响，必须使用不同的方法确定湍流射流或羽流夹带。
边界相互作用
专门的射流和羽流预测利用计算流体力学
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236148]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
