随着“双碳”战略的深入推进，储量丰富的深海矿产资源展现出重要战略价值，将在未来新能源产业发展中发挥关键作用。在众多深海采矿技术中，垂直管水力提升因具有效率高、环境扰动相对可控等优势，被视为最具商业化潜力的深海采矿技术。然而，当垂直管道输送大粒径、高浓度且非球形矿石颗粒时，极易出现如栓塞流甚至管道堵塞等现象，严重影响矿石颗粒的安全输送。此外，非球形颗粒在流体中呈现更为复杂的运动特性，包括翻滚、旋转及碰撞等行为，其流动特征与流态演变规律目前仍缺乏系统性研究。为此，本文首先探讨了球形粗颗粒在垂直管道中的流态演化规律，进而发展了适用于非球形颗粒的计算流体力学-离散元方法（Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method，CFD-DEM），并结合室内实验，系统研究了垂直管道中非球形颗粒的流态演变规律及其形成机制。

首先，针对深海采矿垂直管道内颗粒粒径大、浓度高及非球形等特点，本文发展了适用于非球形颗粒的固液两相流数值计算方法。该方法采用超二次曲面函数对非球形颗粒进行建模，仅需少量形状参数即可高效描述多种非球形几何形态。为了提升非球形颗粒间的碰撞判定效率，引入了基于最大外接球和定向包围体的快速预判策略，并结合牛顿迭代算法实现高效的碰撞检测。在颗粒-流体耦合方面，该方法充分考虑了非球形颗粒的几何各向异性及其空间取向效应，完善了流体曳力计算模型，考虑了流体升力和俯仰力矩，同时提出了颗粒体积标记点方法，可精确计算颗粒相和流体相的体积分数。此外，还通过流化床、垂直管道输送及自由沉降等典型工况对该方法进行了全面验证。

随后，本文结合小型水力提升实验与新提出的粗颗粒图像识别与处理算法，系统研究了单一粒径球形颗粒群在堵塞后再启动过程中的流动特性。根据输送特征与颗粒体积分数的分析，该过程可划分为局部脉动、栓塞流、疏密流和均匀输送四个典型阶段，并结合可视化观测和定量分析，探究了其流态演变规律。针对双粒径组合及球与非球混合输送，研究发现大粒径比颗粒群更易在短暂混合后产生分离，而球与非球形颗粒混合时更易形成局部堵塞。基于实验现象，本文进一步结合数值模拟手段，系统研究了双粒径颗粒群在垂直管道中的分离与混合行为，揭示了不同粒径颗粒群分离与混合行为的主导机制。随后，分别比较了粗颗粒与细颗粒在流固相互作用力、碰撞力等方面的差异，进一步阐明了其各向异性、空间分布特征及碰撞频率变化的根本原因。此外，结合深海采矿垂直管水力提升的特点，还探讨了脉动流条件下水力提升的流态演变特征，并分析了颗粒粒径与入口浓度对流态演变过程的影响规律。

最后，针对深海矿石颗粒多呈类椭球的特点，本文基于所提出的非球形颗粒 CFD-DEM 耦合方法，系统研究了单一、双分散及多分散非球形颗粒群的水力提升特性与流态演变机制。对于单一非球形颗粒群，通过相似分析明确了影响水力提升过程的关键控制参数（包括颗粒相对直径、长短轴比、雷诺数、入口颗粒体积分数、弗劳德数等），并在此基础上系统研究了非球形颗粒的基本运动特征以及流态演变机制。研究发现，当椭球颗粒长短轴比从1（球形）逐渐增大时，颗粒与流体及周围颗粒的相互作用显著增强，促使颗粒向管道中心聚集并形成典型的环核流态。深入分析表明，流体作用于非球形颗粒的升力和俯仰力矩是驱动该流态形成的关键因素。随后，通过分析关键控制参数对水力提升特性的影响，并基于数值模拟结果的拟合分析，建立了非球形颗粒群速度、局部浓度及管道压力损失的预测关系式。针对双分散与多分散非球形颗粒群，研究发现形状差异导致的定向排列效应与复杂流固耦合作用，使得混合体系中颗粒团聚与分离行为更为复杂，而通过优化椭球颗粒的长短轴比或输入比例，可有效抑制颗粒团聚现象，提升输送过程的均匀性与稳定性。最后，基于自主研制的大型颗粒循环水力提升实验平台，开展了完全非规则颗粒的输送实验，实验表明适度的颗粒粒径差异与非球形颗粒的合理配比组合，能够有效提升水力提升过程的稳定性，并显著降低局部堵塞风险。

本文的研究揭示了深海矿石颗粒水力提升过程中关键流态的演变规律及其形成机制，为深海矿产资源规模化商业化开采提供了重要的理论指导与技术支撑，有望进一步助力深海采矿垂直管道输送系统的设计优化与实际工程应用。