【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于深海采矿领域，具体涉及一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统及方法。
技术介绍
1、在深海底矿藏资源开发中，集矿机与垂直输送管道提升相结合的开采系统最具发展前景。其中垂直输送管道是其中的关键技术环节，输送管道内部有粗颗粒两相内流，外部有涡激振动等引起的横向振动，针对这一新型的复杂系统，目前并无准确完整的理论和数值模拟方案。构建振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统及方法，有助于借助实验手段突破深海采矿工程结构系统流固耦合的技术瓶颈，既有重要的科学意义，也有明确的应用前景。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统及方法，主要包括振动台模块、管内流动循环模块、矿料注入及回收模块、图像采集及分析模块。振动台模块用于驱动形成垂直输送管道的横向振动；管内流动循环模块用于输送管道内液体的运动；矿料注入及回收模块用于试验过程中进行矿料颗粒释放和回收；图像采集及分析模块借助高速摄像机得到的实验图像，针对图像进行分析处理从而得到矿料颗粒的运动特征。本专利技术旨在于通过试验方法获得振动垂直输送管道内矿料颗粒的运动特征。
2、为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，包括振动台模块、管内流动循环模块、矿料注入及回收模块、图像采集及分析模块；所述振动台模块包括液压作动器、振动平台、平台滑轨、平台底座、支撑结构；所述管内流动循环模块包括
4、所述振动平台安装于平台底座上方的平台滑轨上，液压作动器与振动平台连接；垂直透明矿料输送管道及支撑结构均垂直固定于振动平台上方，液压作动器驱动振动平台及其上方的垂直透明矿料输送管道进行大幅高频的往复运动，用于驱动形成垂直透明矿料输送管道的横向振动；实验系统用水依次流经储水箱、不锈钢离心水泵、流量计、热启动矿料注入装置、横向振动吸能装置、弯头法兰、垂直透明矿料输送管道、上部弯管、承接水箱、回流管道，最终流入矿料缓冲回收过滤装置；所述矿料注入及回收模块用于实验过程中进行矿料颗粒的注入和回收；所述图像采集及分析模块借助高速摄像机得到的实验图像，针对实验图像进行分析处理从而得到矿料颗粒的运动特征。
5、进一步地，所述实验系统在垂直透明矿料输送管道横向高频振动及垂直透明矿料输送管道的内部可调输送流量的条件下，进行矿料颗粒的注入、过滤回收，实现对垂直透明矿料输送管道内不同粒径的矿料颗粒的运动特征的测量和分析；所述高频最高为2赫兹；所述可调输送流量最大为130立方米/小时；所述矿料颗粒的粒径为1-4厘米。
6、进一步地，所述横向振动吸能装置包括两个金属伸缩节，两个金属伸缩节串联固定布置于在台凳支撑结构的滑台上，其中一个金属伸缩节与热启动矿料注入装置相连，另一个金属伸缩节垂直于垂直透明矿料输送管道，连接于垂直透明矿料输送管道的下方的弯头法兰。
7、进一步地，所述矿料注入及回收模块用于向实验系统中注入直径1-4厘米的矿料颗粒，在储水箱中布置矿料缓冲回收过滤装置，避免矿料颗粒破碎对水泵造成损坏。
8、进一步地，所述矿料缓冲回收过滤装置布置于储水箱的金属滑轨上，方便推动其沿金属滑轨横向移动，在远离回流管道的出口位置回收矿料。
9、进一步地，所述热启动矿料注入装置设置有矿料仓、注入通道，顶部设置快拆式密封盖、释放阀；垂直透明矿料输送管道横向振动及管内流动循环模块开始作业后，首先关闭热启动矿料注入装置的释放阀，将矿料仓注满液态水，将待实验的矿料颗粒放入矿料仓，闭合顶部的快拆式密封盖；之后打开热启动矿料注入装置的释放阀，矿料颗粒通过注入通道进入管内流动循环模块的水平主管道中，矿料颗粒流经进垂直透明矿料输送管道时，测量矿料颗粒的运动特征，随后关闭释放阀。
10、进一步地，当液压作动器驱动振动平台及其上方的垂直透明矿料输送管道进行横向振动时，与垂直透明矿料输送管道下方相连的另一个金属伸缩节以及相串联的一个金属伸缩节同时进行拉伸和收缩，从而消除横向振动向热启动矿料注入装置的传递。
11、进一步地，所述矿料缓冲回收过滤装置的内壁贴敷有机缓冲层，内壁及有机缓冲层均凿有滤水孔。
12、进一步地，所述图像采集及分析模块包括在实验系统的后方依次布置的柔光板和补光灯，用以提供在均匀的背景光，还包括在实验系统的前方布置的高速cmos摄像机，用于获得垂直透明矿料输送管道内的矿料的精细化运动测量图像；采用计算程序对拍摄到的无畸变颗粒图像进行霍夫变换，获得圆球颗粒的边界、每个圆球颗粒直径的像素值以及每个圆球颗粒的二维坐标。
13、本专利技术还提供一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验方法，包括如下步骤：
14、步骤1、将储水箱注入70%容积的液态水；
15、步骤2、打开液压作动器、不锈钢离心水泵、水泵变频器、流量计、补光灯的电源；
16、步骤3、启动水泵变频器，逐步调增，直至实现预定流量；
17、步骤4、打开高速摄像机，开始记录垂直透明矿料输送管道的观测段流态变化；
18、步骤5、关闭热启动矿料注入装置的释放阀，打开顶部的快拆式密封盖，将矿料仓注满液态水，将待实验的矿料颗粒放入矿料仓，闭合顶部的快拆式密封盖；之后打开热启动矿料注入装置的释放阀，矿料颗粒开始进入管内流动循环模块的水平主管道，随后关闭释放阀；
19、步骤6、矿料颗粒经横向振动吸能装置、弯头法兰、垂直透明矿料输送管道、上部弯管、承接水箱、回流管道进入储水箱的矿料缓冲回收过滤装置；
20、步骤7、实验完毕，关闭高速摄像机，进行数据后处理；
21、步骤8、逐步将水泵变频器调减为0 hz，最终管内流动循环模块的液体停止流动；
22、步骤9、关闭液压作动器、不锈钢离心水泵、水泵变频器、流量计、补光灯的电源；
23、步骤10、获取矿料缓冲回收过滤装置回收的矿料颗粒。
24、有益效果：
25、1、本专利技术能够实现垂直输送管道的高频振动且管内循环流动条件下，进行矿料颗粒的注入及过滤回收，实现对管内不同粒径矿料颗粒运动特征的测量和分析。
26、2、为有效抵消横向振动对循环系统冲击这一不利影响，本专利技术布置有横向振动吸能装置，减少摩擦的同时限制伸缩的自由度，从而延长装置的使用寿命且能有效消除横向振动的影响。
27、3、本专利技术在储水箱中布置有矿料缓冲回收过滤装置，能够方便回收实验矿料的同时最大限度减小矿料破碎可能性，避免损坏水泵。
28、4、以往的添料装置往往需要在循环系统启动前，将矿料注入，随后再将循环系统启动。本专利技术设置有矿料仓、注入通道等装置，顶部设置快拆式密封盖、释放本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，包括振动台模块、管内流动循环模块、矿料注入及回收模块、图像采集及分析模块；所述振动台模块包括液压作动器、振动平台、平台滑轨、平台底座、支撑结构；所述管内流动循环模块包括储水箱、不锈钢离心水泵、水泵变频器、流量计、横向振动吸能装置、弯头法兰、垂直透明矿料输送管道、上部弯管、承接水箱、回流管道；所述矿料注入及回收模块包括热启动矿料注入装置及矿料缓冲回收过滤装置；
2.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述实验系统在垂直透明矿料输送管道横向高频振动及垂直透明矿料输送管道的内部可调输送流量的条件下，进行矿料颗粒的注入、过滤回收，实现对垂直透明矿料输送管道内不同粒径的矿料颗粒的运动特征的测量和分析；所述高频最高为2赫兹；所述可调输送流量最大为130立方米/小时；所述矿料颗粒的粒径为1-4厘米。
3.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述横向振动吸能装置包括两个金属伸缩节，两个金属伸缩节串联固定布置于在台凳支
4.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述矿料注入及回收模块用于向实验系统中注入直径1-4厘米的矿料颗粒，在储水箱中布置矿料缓冲回收过滤装置，避免矿料颗粒破碎对水泵造成损坏。
5.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述矿料缓冲回收过滤装置布置于储水箱的金属滑轨上，方便推动其沿金属滑轨横向移动，在远离回流管道的出口位置回收矿料。
6.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述热启动矿料注入装置设置有矿料仓、注入通道，顶部设置快拆式密封盖、释放阀；垂直透明矿料输送管道横向振动及管内流动循环模块开始作业后，首先关闭热启动矿料注入装置的释放阀，将矿料仓注满液态水，将待实验的矿料颗粒放入矿料仓，闭合顶部的快拆式密封盖；之后打开热启动矿料注入装置的释放阀，矿料颗粒通过注入通道进入管内流动循环模块的水平主管道中，矿料颗粒流经进垂直透明矿料输送管道时，测量矿料颗粒的运动特征，随后关闭释放阀。
7.根据权利要求3所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，当液压作动器驱动振动平台及其上方的垂直透明矿料输送管道进行横向振动时，与垂直透明矿料输送管道下方相连的另一个金属伸缩节以及相串联的一个金属伸缩节同时进行拉伸和收缩，从而消除横向振动向热启动矿料注入装置的传递。
8.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述矿料缓冲回收过滤装置的内壁贴敷有机缓冲层，内壁及有机缓冲层均凿有滤水孔。
9.根据权利要求6所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，包括振动台模块、管内流动循环模块、矿料注入及回收模块、图像采集及分析模块；所述振动台模块包括液压作动器、振动平台、平台滑轨、平台底座、支撑结构；所述管内流动循环模块包括储水箱、不锈钢离心水泵、水泵变频器、流量计、横向振动吸能装置、弯头法兰、垂直透明矿料输送管道、上部弯管、承接水箱、回流管道；所述矿料注入及回收模块包括热启动矿料注入装置及矿料缓冲回收过滤装置；
2.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述实验系统在垂直透明矿料输送管道横向高频振动及垂直透明矿料输送管道的内部可调输送流量的条件下，进行矿料颗粒的注入、过滤回收，实现对垂直透明矿料输送管道内不同粒径的矿料颗粒的运动特征的测量和分析；所述高频最高为2赫兹；所述可调输送流量最大为130立方米/小时；所述矿料颗粒的粒径为1-4厘米。
3.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述横向振动吸能装置包括两个金属伸缩节，两个金属伸缩节串联固定布置于在台凳支撑结构的滑台上，其中一个金属伸缩节与热启动矿料注入装置相连，另一个金属伸缩节垂直于垂直透明矿料输送管道，连接于垂直透明矿料输送管道的下方的弯头法兰。
4.根据权利要求1所述的一种振动垂直输送管道内矿料流动特征测量的实验系统，其特征在于，所述矿料注入及回收模块用于向实验系统中注入直径1-4厘米的矿料颗粒，在储水箱中布置矿料缓冲回收过滤装置，避免矿料颗粒...
【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，周济福，段金龙，魏明珠，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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