深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置及方法

1.本发明涉及测试装置技术领域，特别是涉及一种深海采矿柔性立管输送固液两相螺旋流振动响应测试装置及方法。


背景技术：

2.海底矿产资源储量大、品位高，具有巨大商业开采价值，将海底矿石颗粒从海底提升到海面的扬矿技术是深海采矿系统中至关重要的核心技术之一。传统水力提升系统采用直流式输运方式，通过增大输送速度来增强水流的紊动扩散作用，但能量损耗较大，限制了提升效率。高速螺旋流具有能量集中、颗粒携带力强、输送浓度高等优点，将其应用于深海采矿水力提升系统，可借助其周向流动将沉积的锰结核颗粒拖曳旋浮于主流中，提高管道横断面颗粒的均匀度，实现扬矿管的高浓度低能耗运输目标。
3.采用柔性立管输送过程中会受到内流对管道产生的作用力，引起管道结构发生变形，导致管道容易产生更大的应力、应变，造成结构发生破坏，影响整个深海采矿系统的正常运行；并且处于流固耦合效应下的管道受到的激励频率与结构本身的固有频率相接近时，管道就会发生耦合共振，致使管道发生疲劳破坏，影响采矿系统工作的稳定性和疲劳寿命。
4.目前，国内外对于内流引起的流致振动响应研究中，主要实验对象为输送直流的立管，将直流内流作用力简化为惯性力、离心力和柯氏力，尚无实验探究由螺旋内流对管道振动响应的影响。因此，有必要对螺旋内流对管道振动响应的影响进行实验研究，然而尚无可用的能开展螺旋流产生的周向流速作用力对管道动力学特性的影响的研究的实验装置。
5.因此有必要设计相应的实验装置，以开展柔性立管输送固-液两相螺旋流振动响应实验的研究，对比直流输送实验探究螺旋流产生的作用力对柔性立管动力学特性的影响规律，并开展不同颗粒输送流速、颗粒输送浓度对动力学特性的影响分析与评价，为深海采矿全柔性立管提升系统安全运行提供理论和技术支撑。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置及方法。
7.本发明第一方面，提供一种深海采矿柔性立管输送固液两相螺旋流振动响应测试装置，柔性立管模型的底部与螺旋流发生系统的螺旋流发生舱的出口接头连接；所述柔性立管模型的顶部固液两相流出口与水力循环系统的固液回水管路的一端连接；所述柔性立管模型的外壁面上沿轴向均匀布置若干反光标记点，用于通过非接触式光学监测系统捕捉柔性立管模型在三维空间内的振动响应；
8.所述螺旋流发生舱的侧壁上开有接口与固液混输管路的一端连接，所述固液混输管路的另一端通过阀门开度可调的颗粒混输阀与进水管的一端连接，所述进水管的另一端与抽水管的一端以及频率可调节的压缩机水泵连接，所述抽水管的另一端与储水箱的出水
口相接；所述的螺旋流发生舱的底部连接转速可调的螺旋流发生器电机；
9.所述颗粒混合阀的进料口与存储模拟矿石的玻璃颗粒的颗粒储送装置的出料口相接，所述颗粒储送装置的进料口通过颗粒回收管路与接收所述固液回水管路排出的固液混合物料的固液分离水箱的颗粒出口相接，所述固液分离水箱的出水口连接单相排水管路，所述单相排水管路用于将固液分离后的水排到所述储水箱。
10.其中，所述压缩机水泵、颗粒储送装置与固液混输电机控制柜连接，由所述固液混输电机控制柜控制所述压缩机水泵的频率以及颗粒储送装置的频率，实现不同的流速和不同浓度的颗粒输送。
11.其中，所述颗粒储送装置由给料泵带动给料机运转，将颗粒稳定输送至固液混输管路中。
12.其中，所述螺旋流发生器电机与螺旋流装置电机控制柜连接，所述螺旋流发生器电机带动叶片旋转实现转速调节，从而产生不同的螺旋流流速。
13.其中，所述非接触式光学监测系统采用大视野高速摄像机，包括两个大视野高速摄像机，两个大视野高速摄像机组成双目视觉系统，模拟人眼左右成像原理进行监测，通过高速拍照采集柔性立管模型可视区域全场三维空间坐标变图像，得到柔性立管模型的振动响应三维位移时程数据，以实现对柔性立管模型三维振动响应特性的监测。
14.其中，两个所述大视野高速摄像机安装于相机水平横梁架上，所述相机水平横梁架与柔性立管模型的中心线对中，通过相机水平横梁架能调节两个所述大视野高速摄像机保持水平并相距预定距离以保证测量的可视区域满足要求。
15.其中，所述柔性立管模型的顶部由柔性立管夹具固定，所述柔性立管夹具释放柔性立管模型上端部轴向方向自由度且约束柔性立管模型水平方向自由度。
16.本发明第二方面，提供一种深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试方法，采用本发明第一方面所述的深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置实现，其测试方法如下：
17.启动螺旋流发生系统以产生固液两相螺旋流，启动非接触式光学监测系统，记录柔性立管模型受固液两相螺旋流内流作用力的影响产生的可视区域全场三维空间坐标变化；
18.关闭螺旋流发生系统以保持柔性立管模型内以直流方式混输的固液两相流，启动非接触式光学监测系统，记录柔性立管模型受固液两相直流内流作用力的影响产生的可视区域全场三维空间坐标变化。
19.对两种实验条件下的位移时程变化进行后处理分析，对比探究柔性立管模型输送固液两相螺旋流和固液两相直流振动响应特性，揭示由螺旋流产生的周向流速作用力对管道动力学特性的影响。
20.本发明的深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置能够完成固液两相流的发生和循环，保证实验不间断进行，同时能够应用螺旋流发生系统产生不同输送流速和输送浓度的高强度固液两相流，便于探究不同管道内流流速和内流颗粒浓度对柔性立管振动特性的影响。通过非接触式光学测量系统，根据人眼左右成像原理，利用大视野高速相机，实现实时捕捉柔性立管模型在可视区域全场的三维空间坐标变化。本发明提供一种柔性立管输送固液两相螺旋流和固液两相直流的流致振动响应对比测试方法，揭示由螺旋流
产生的周向流速作用力对管道动力学特性的影响。
附图说明
21.图1为本发明深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置的结构示意图。
22.图2为本发明实施例的振动响应监测系统的示意图。
23.其中：
24.1、储水箱；2、抽水管；3、压缩机水泵；4、流量计；5、进水管；6、颗粒混输阀；7、固液混输管路；8、螺旋流发生器电机；9、螺旋流发生舱；10、柔性立管模型；11；柔性立管夹具；12、固液回水管路；13、固液分离水箱；14、单相排水管路；15、颗粒回收管路；16、颗粒储送装置；17、管路支撑桁架；18、上部支撑平台；19、固液混输电机控制柜；20、螺旋流装置电机控制柜；21、左视大视野高速摄像机；22、相机水平横梁架；23、右视大视野高速摄像机；24、相机支撑三脚架；25、左侧大视野照明光源；26、右侧大视野照明光源；27、反光标记点。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.参见图1及图2所示，本发明实施例提供的一种深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，包括实验柔性立管模型系统、水力循环系统、固体颗粒给料系统、螺旋流发生系统和非接触式光学监测系统，所述实验柔性立管模型系统的柔性立管模型10的底部与螺旋流发生系统的螺旋流发生舱9的出口密封接头固定连接以保证螺旋流输出的稳定性；所述柔性立管模型10的顶端固液两相流出口与水力循环系统的固液回水管路12的一端连接；所述柔性立管模型10的外壁面沿轴向均匀布置若干反光标记点27，用于通过非接触式光学监测系统捕捉柔性立管模型10在三维空间内的位移；所述的螺旋流发生舱9提供固液两相流生成高强度螺旋涡流的空间，其侧壁上开有接口与水力循环系统的固液混输管路7的一端连接，所述固液混输管路7的另一端通过阀门开度可调的颗粒混输阀6与进水管5的一端连接，所述进水管5后另一端与抽水管2的一端以及频率可调的压缩机水泵3连接，所述抽水管2的另一端与储水箱的出水口相接；所述的螺旋流发生舱9的底部连接功率可调的螺旋流发生器电机8，所述的螺旋流发生器电机8带动螺旋流发生舱9中的叶片旋转，能实现产生不同的流速的高强度固液两相螺旋流；所述颗粒混合阀6的进料口与固体颗粒给料系统的颗粒储送装置16的颗粒出口相接，所述颗粒储送装置16的进料口通过颗粒回收管路15与固液分离水箱13的颗粒出口相接，所述固液分离水箱13接收所述固液回水管路12排出的固液两相流，其出水口连接单相排水管路14，单相排水管路14可用于将固液分离后的水排到所述储水箱1中使用。
27.其中，所述的颗粒储送装置16中存储模拟矿石的玻璃颗粒，通过颗粒混输阀6的底部颗粒混合阀6，可以实现将玻璃颗粒输送至固液混输管路7，随后固液两相流进入螺旋流发生系统，颗粒回收管路上部连接固液分离水箱13，收集从固液分离水箱13中分离出的玻璃颗粒，并回送至颗粒储送装置16，以保证实验过程中模拟矿石的玻璃颗粒的充足。
28.一些实施例中，所述柔性立管模型10的顶部由柔性立管夹具11固定，所述柔性立
管夹具11顶部边界条件为释放柔性立管模型10上端部轴向方向自由度，约束柔性立管模型10水平方向自由度。
29.优选的，所述柔性立管模型缩尺根据弗劳德和柯西相似定律建立的。弗劳德相似定律标志着实验模型同原型之间满足重力作用下的动力相似准则。柯西相似定律为弹性力相似准则，表征结构特性，如轴向刚度和弯曲刚度。由于可供选择的柔性管材性能各异，若按照缩尺后的弯曲刚度ei、拉压刚度ea、单位质量等参数进行市场寻材，同时参考柔性管材的柔韧性能。所述柔性立管模型能够避免因管道模型过软，耐压性能差，高流速输送时发生爆管的情况；避免因管道模型过硬，实验效果不明显，振幅过小的情况；避免因管道重力过大等问题产生塑性应变，进而影响测量准确性。
30.作为一个优选实施例，所述柔性立管模型10选取为钢丝橡胶软管，其内径为63mm，壁厚为2mm，管道长度为4m。
31.一些实施例中，所述的反光标记点27可以根柔性立管模型10的外截面面积选用相应大小面积的片状体，如圆圈型背胶片；优选的，作为一个实施例，所述的反光标记点27为直径3cm黑白色哑光背胶标记点，其内圈白色，反光面直径为1.5cm，按间隔15cm的距离沿柔性立管模型10的外壁轴向进行粘贴布置，请参见图2所示。
32.一些实施例中，所述的固液分离水箱13的容积与储水箱1的容积保持一致，所述单相排水管路14位于固液分离水箱13的下部，有利于分离后的水快速补充回储水箱1内。作为优选，所述储水箱1的容积为1m3，可满足实验长时间循环用水量。
33.进一步的，所述的进水管2上装有流量计4，能够实时监测进水管的管道内的流量，并可以根据其监测值对应计算出柔性立管模型10内的输送流速。
34.一些实施例中，所述螺旋流发生器电机8与螺旋流装置电机控制柜20连接，所述螺旋流发生器电机8带动螺旋流发生舱9中的叶片旋转实现转速调节，以产生不同的螺旋流流速。所述螺旋流发生器电机8、螺旋流发生舱9和螺旋流装置电机控制柜20一起构成螺旋流发生系统。
35.一些实施例中，所述颗粒储送装置16中设置有给料机，由给料泵驱动进行给料，通过调节给料泵的频率，可以实现给料频率的控制。所述压缩机水泵3、颗粒储送装置16与固液混输电机控制柜19连接，由所述固液混输电机控制柜19控制、调节压缩机水泵3的频率以及颗粒储送装置16的频率，实现不同的输送流速，同时通过调节颗粒储送装置16的出料速度，达到不同的颗粒输送浓度。所述的颗粒回收管路15、颗粒储送装置16、颗粒混输阀6以及固液混输电机控制柜19一起构成固体颗粒给料系统。
36.装置使用时，在实验前，在所述的储水箱1中用存满实验用水，调节固液混输电机控制柜19使压缩机水泵3和颗粒储送装置16处于实验工况所需频率，启动压缩机水泵3，通过抽水管2将单相水泵送至固液混输管路7，所形成的水力循环管路能够稳定输送固液两相流，保证实验不间断进行，所述的固液回水管路12将固液两相流输送入固液分离水箱13，随后颗粒被分离通过颗粒回收管路15进入固体颗粒给料系统，分离后的单相水通过单相排水管路14输送回储水箱1，完成水力输送的循环。
37.进一步，设置有管路支撑桁架17、上部支撑平台18，以对振动响应测试装置的管路以及其它相关的设备进行支撑。
38.如图2所示，一些实施例中，所述非接触式光学监测系统采用大视野高速摄像机，
优选的实施例中，采用两个大视野高速摄像机，如图2所示，由左视大视野高速摄像机21及右视大视野高速摄像机23组成双目视觉系统，模拟人眼左右成像原理进行监测；监测时，左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23同时进行高速拍照采集，以实现对柔性立管模型10三维振动响应特性的监测。所述的左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23对应的配置有相应的照明光源，如左侧大视野照明光源25、右侧大视野照明光源26。实验观测时，所述的左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23通过捕捉垂直方向均匀分布在柔性立管模型10正对外表面的反光标记点27，使用位移场计算，获取柔性立管模型10可视区域全场三维空间坐标变化，进而得到柔性立管模型10的振动响应三维位移时程数据。
39.所述大视野高速摄像机可安装于相机水平横梁架22，通过相机支撑三脚架24支撑于支撑面上，在具体布置时，所述的左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23基于模拟人眼左右成像原理的需要，放置于所述的柔性立管模型10两侧，安装于相机水平横梁架22上，所述相机水平横梁架22与柔性立管模型10的中心线对中，通过相机水平横梁架22能调节左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23保持水平，并相距1m以保证测量的可视区域满足要求。
40.其中，所述的左侧大视野照明光源25和右侧大视野照明光源26放置于相机支撑三脚架24两侧，可以通过旋钮调整亮度和角度，在实验环境光线不足时照明，使反光标记点27更清晰，提高捕捉到准确度。
41.作为优选，放置所述相机支撑三脚架24与柔性立管模型10垂直相距2.5m，以保证可视区域内左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23能够完整捕捉柔性立管模型10的三维振动响应。
42.其中，所述的左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23可根据数据存储工作站的性能调节，作为优选，所述大视野高速摄像机帧率为20fps-50fps、分辨率2592
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2048、像素尺寸0.0048、芯片尺寸12.4416，采用大视野短焦8mm镜头（如basler）能够保证对柔性立管模型10监测的mm级精度要求。
43.本发明的测试装置进行输送固液两相螺旋流振动响应实验的工作原理如下：
44.实验前在储水箱1中存满实验用水，调节固液混输电机控制柜19使压缩机水泵3和颗粒储送装置16处于实验工况所需频率，启动压缩机水泵3，通过抽水管2将单相水泵送至固液混输管路7，观测柔性立管模型10输送通畅后，打开颗粒混输阀6，随后启动颗粒储送装置16，用于模拟矿石的玻璃颗粒由颗粒储送装置16通过颗粒混输阀6进入固液混输管路7。
45.随后固液两相流进入螺旋流发生舱9，调节螺旋流装置电机控制柜20，使螺旋流发生器电机8处于实验工况所需频率，启动螺旋流发生器电机8，带动螺旋流发生舱9中叶片旋转，产生高强度固液两相螺旋流，并通过螺旋流发生舱9上部的密封接头输送至柔性立管模型10。
46.柔性立管模型10连接的固液回水管路12将输送至上部支撑平台18的固液两相流排入固液分离水箱13，由重力进行玻璃颗粒和水的分离后，水经由单相排水管路14回流至储水箱1，玻璃颗粒沉降至颗粒回收管路15，随后进入颗粒储送装置16，完成颗粒回充，以保证实验稳定长时间的循环进行。
47.产生的固液两相螺旋流流经柔性立管模型10时，由于内流的作用力使管道发生振
动，当输送进入稳定阶段，启动非接触式光学监测系统，左视大视野高速摄像机21和右视大视野高速摄像机23同时进行高速拍照采集，通过捕捉垂直方向均匀分布在柔性立管模型10正对外表面的反光标记点27，使用位移场计算，获取柔性立管模型10可视区域全场三维空间坐标变化，进而得到柔性立管模型10的振动响应三维位移时程数据。
48.本发明实施例进一步提供一种深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试方法，采用前述实施例的深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置实现，其步骤如下：
49.在输送固液两相螺旋流振动响应实验中，首先启动螺旋流发生系统以产生固液两相螺旋流，启动非接触式光学监测系统，记录柔性立管模型10受固液两相螺旋流内流作用力的影响产生的可视区域全场三维空间坐标变化；然后关闭螺旋流发生系统以保持柔性立管模型10内以直流方式混输的固液两相流，启动非接触式光学监测系统，记录柔性立管模型10受固液两相直流内流作用力的影响产生的可视区域全场三维空间坐标变化；对两种实验条件下的位移时程变化进行后处理分析，对比探究柔性立管模型10输送固液两相螺旋流和固液两相直流振动响应特性，揭示由螺旋流产生的周向流速作用力对管道动力学特性的影响。
50.通过以上的柔性立管输送固液两相螺旋流和固液两相直流振动响应的对比测试方法，可以揭示由螺旋流产生的周向流速作用力对管道动力学特性的影响。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，柔性立管模型底部与螺旋流发生系统的螺旋流发生舱的出口接头连接；所述柔性立管模型的顶部固液两相流出口与水力循环系统的固液回水管路的一端连接；所述柔性立管模型的外壁面上沿轴向均匀布置若干反光标记点，用于通过非接触式光学监测系统捕捉柔性立管模型在三维空间内的振动响应；所述螺旋流发生舱的侧壁上开有接口与固液混输管路的一端连接，所述固液混输管路的另一端通过阀门开度可调的颗粒混输阀与进水管的一端连接，所述进水管的另一端与抽水管的一端以及频率可调节的压缩机水泵连接，所述抽水管的另一端与储水箱的出水口相接；所述的螺旋流发生舱的底部连接转速可调的螺旋流发生器电机；所述颗粒混合阀的进料口与存储模拟矿石的玻璃颗粒的颗粒储送装置的出料口相接，所述颗粒储送装置的进料口通过颗粒回收管路与接收所述固液回水管路排出的固液混合物料的固液分离水箱的颗粒出口相接，所述固液分离水箱的出水口连接单相排水管路，所述单相排水管路用于将固液分离后的水排到所述储水箱。2.根据权利要求1所述深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，所述压缩机水泵、颗粒储送装置与固液混输电机控制柜连接，由所述固液混输电机控制柜控制所述压缩机水泵的频率以及颗粒储送装置的频率。3.根据权利要求1所述深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，所述颗粒储送装置由给料泵带动给料机运转，将颗粒稳定输送至固液混输管路中。4.根据权利要求1所述深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，所述螺旋流发生器电机与螺旋流装置电机控制柜连接，所述螺旋流发生器电机带动叶片旋转实现转速调节。5.根据权利要求1所述深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，所述非接触式光学监测系统采用大视野高速摄像机，包括两个大视野高速摄像机，两个大视野高速摄像机组成双目视觉系统，模拟人眼左右成像原理进行监测，通过高速拍照采集柔性立管模型可视区域全场三维空间坐标变图像，得到柔性立管模型的振动响应三维位移时程数据。6.根据权利要求5所述深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，两个所述大视野高速摄像机安装于相机水平横梁架上，所述相机水平横梁架与柔性立管模型的中心线对中，通过相机水平横梁架能调节两个所述大视野高速摄像机保持水平并相距预定距离。7.根据权利要求1所述深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置，其特征在于，所述柔性立管模型的顶部由柔性立管夹具固定，所述柔性立管夹具释放柔性立管模型上端部轴向方向自由度且约束柔性立管模型水平方向自由度。8.一种深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置实现，其测试方法如下：启动螺旋流发生系统以产生固液两相螺旋流，启动非接触式光学监测系统，记录柔性立管模型受固液两相螺旋流内流作用力的影响产生的可视区域全场三维空间坐标变化；关闭螺旋流发生系统以保持柔性立管模型内以直流方式混输的固液两相流，启动非接触式光学监测系统，记录柔性立管模型受固液两相直流内流作用力的影响产生的可视区域全场三维空间坐标变化。

技术总结
本发明公开了深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试装置及方法。装置包括具有轴向方向向上自由度的柔性立管模型，柔性立管模型的底部连接螺旋流发生舱出口、顶出口连接固液回水管路、外壁沿轴向布反光标记点；螺旋流发生舱与固液混输管路连接，固液混输管经颗粒混输阀连接进水管，进水管与连接储水箱抽水管、压缩机水泵连接；螺旋流发生舱连接电机；颗粒混合阀与颗粒储送装置相接，颗粒储送装置进口经回收管路与接收固液回水管路排出物的固液分离水箱的颗粒出口相接，固液分离水箱出水口连接将固液分离后水排到储水箱的单相排水管路。本发明实现深海采矿柔性立管输送螺旋流振动响应测试。动响应测试。动响应测试。


技术研发人员：陈念众 张嘉毓
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.09.06
技术公布日：2023/10/15