深海赋存着锰结核、富钴结壳、热液硫化物等多种矿藏,其储量庞大,经济前景广阔,因此深海采矿被视作人类未来获取矿产资源的重要途径,发展深海采矿技术具有重要战略意义。近年来,深海采矿发展方兴未艾,包括中国、德国、印度、韩国、日本、加拿大、比利时、欧盟等多个国家和组织正在从事深海采矿技术的研究,已研制多台深海采矿样机并开展了各种阶段的海试。目前深海采矿面临两个主要挑战,即商业开采的经济性问题以及大规模开采的环保性问题。有研究认为,深海采矿作业对海底造成扰动以及排放泥沙等行为,可能对深海底栖生物群落乃至深海生态造成威胁。国际海底管理局亦对深海采矿技术的环境影响提出限制要求。在此背景下,本文经过创新的思考,提出一种适用于深海锰结核集矿机的环保型水力集矿方案,并利用数值模拟方法对该方案的若干关键环节进行研究。首先采用基于欧拉法的液固两相流模型对现有水力集矿方案的泥沙排放过程进行数值模拟,研究不同排放条件下泥沙颗粒的扩散特征,建立泥沙颗粒对周围水域影响程度的评价指标,分析排放速度、浓度等变量对该指标的影响。结果表明:采用较低的排放速度与一定的排放浓度有利于减弱排放行为对环境的影响。由此推论,如果存在一种技术能够将集矿机采集的泥水混合物浓缩、储存,并以可控的强度排放,则可有效降低对海底生态环境的影响。基于上述研究,提出一种新型循环式水力集矿系统设计。该系统主要由水力集矿头、矿沙分离器、水沙分离器等装置组成。该系统既可实现矿沙分离、降低矿料中泥沙杂质的比例,亦可实现泥沙受控排放、有效降低对海底环境的影响。为研究该系统关键部件的工作效果,针对泥沙颗粒与锰结核分别建立基于欧拉法与离散元法的多相流计算模型,并利用上述模型展开研究。首先,基于现有水射流式集矿原理,提出一种覆底式水力集矿头设计方案,研究其内部的流场特征与锰结核运动特征,分析集矿头不同工作状态对上述特征以及集矿效果的影响。结果表明:高强度、能量集中的射流有利于提高锰结核的采集效果。其次,基于锰结核与泥沙颗粒运动特性的差异,提出一种重力式矿沙分离器设计方案,分别对其上部的水平流道与下部的竖井研究锰结核与泥沙颗粒的运动行为,分析不同输送状态对分离效果的影响。结果表明:选取适当的工作参数能够实现锰结核与泥沙颗粒有效分离。最后,提出一种自由沉降式及一种基于U型槽惯性分离器原理的水沙分离器设计方案,分别研究两种方案的分离效果与混合流的速度、浓度之间的关系,以及改善分离效果的措施。结果表明:两种分离器的分离效果均受到流速与浓度的影响,在一定条件下能达到较好的分离效果。