高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置及方法

本发明涉及两相流动实验测试，具体涉及一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置及方法。

背景技术：

1、深海采矿是近年来的新兴矿产资源开发领域，其对于固液两相流输送技术的需求日益增加。深海矿区环境恶劣，高压、低温的条件为固液两相流的输送带来了巨大挑战。为确保深海采矿操作的安全和高效，对固液两相流的模拟和研究成为了至关重要的课题。在深海采矿领域，固液两相流主要涉及将底部的矿产结核破碎后与海水混合进行输送。传统上，离心泵作为固液两相流的主要输送工具，在研究和应用方面已经相对成熟。然而，由于其工作原理和结构特点，离心泵在深海高压、矿浆高浓度的特殊条件下可能会遭遇堵塞、磨损等问题，另外其长达几千米的供电线缆也将大大提高制造成本。

2、相对于离心泵，隔膜泵因其独特的结构和工作原理，在一些特定条件下具有明显的优势，如维护简单、节省能源等。但遗憾的是，尽管隔膜泵在许多工业应用中得到了广泛使用，但其在固液两相流输送方面的研究，特别是在深海采矿领域的应用，仍然是一个空白。

3、高压水驱动技术为隔膜泵带来了创新的驱动机制，这不仅有助于解决采矿废水的排放问题，还显著提升了能源的利用效率。因此，融合高压水驱动与隔膜泵技术，研发一种适应深海采矿的固液两相流输送装置及输送方法，已成为当下的关键研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置，以解决背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置，包括试验平台、高速摄影机和计算机，所述试验平台包括高压水泵、第一水箱、第二水箱、第三水箱、加料罐和隔膜泵；所述高压水泵的进水口和出水口分别通过进水管和出水管与所述第三水箱相连，所述出水口还通过第一水管与所述第一水箱的进水口相通，所述第一水箱的出水口通过第二水管与所述隔膜泵的左口端连通，所述隔膜泵的右口端通过第三水管和第四水管分别与所述第三水箱和所述出水管连通，所述第三水管上设有第四电磁阀，所述第四水管上设有第五电磁阀；所述第一水管上沿水流方向依次设有第一电磁阀和流量计；所述加料罐通过输送管与所述第一水箱连通，所述输送管上设有第二电磁阀；所述第二水箱通过第五水管与所述第二水管连通，所述第五水管上设有第三电磁阀；所述出水管上设有第六电磁阀；所述高速摄影机设置在所述试验平台的一侧，用于记录颗粒进出所述隔膜泵以及在所述隔膜泵泵腔内的运动历程；所述计算机分别与所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀和第六电磁阀相连接，通过对所有电磁阀进行顺序控制，以实现高压水驱动下含粗颗粒固液两相流的注入和输出；所述计算机与所述高速摄影机相连接，以对所述高速摄影机获取的图像进行处理，最终得到颗粒的运动速度和轨迹。

3、进一步的，所述第二水管上且于所述第一水箱与所述第五水管之间设有用于记录管道中固液两相流压力数据的压力计，所述压力计与所述计算机相连接，所述计算机用于对所述压力计记录的数据进行拟合，从而得到管道中的压力脉动。

4、进一步的，所述隔膜泵包括球状外壳和纵向设置在所述球状外壳内的隔膜片，所述隔膜片将所述球状外壳的腔室分成左右两个相互独立的腔室。

5、进一步的，所述隔膜泵上安装有用于获得所述隔膜片瞬时位置的电感传感器，所述电感传感器与所述计算机连接。

6、本发明还提供一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送方法，采用上述的输送装置，所述输送方法包括如下步骤：

7、s1、将高压水泵打开，使第一水管、第二水管、第三水管、第四水管和第五水管中以及隔膜泵的腔体中均充满流体；

8、s2、将第一电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀关闭，并将第六电磁阀打开；向加料罐中添加粗颗粒，并通过控制第二电磁阀的开关时间改变所述隔膜泵输入流体的颗粒浓度；

9、s3、待颗粒浓度稳定后，关闭所述第二电磁阀和所述第六电磁阀，打开所述第一电磁阀和所述第四电磁阀；此时，含粗颗粒固液两相流注入所述隔膜泵的左腔室，使得所述隔膜泵内的隔膜片向右形变，所述隔膜泵的右腔室中的含粗颗粒固液两相流则被排出泵体进入第三水箱；

10、s4、关闭所述第一电磁阀和所述第四电磁阀，打开所述第三电磁阀和第五电磁阀；此时，高压水注入所述隔膜泵的右腔室，所述隔膜片向左形变，含粗颗粒固液两相流从隔膜泵的左腔室排出，排入第二水箱中；

11、s5、重复上述步骤s2～s4，直到所述加料罐中所添加的粗颗粒输送完毕为止，最终完成含粗颗粒固液两相流输送。

12、进一步的，高速摄影机在实验过程中对隔膜泵进行拍摄，记录颗粒进出所述隔膜泵以及在所述隔膜泵泵腔内的运动历程；利用计算机对所述高速摄影机拍摄到的高帧率入水视频进行逐帧图像处理；选取任意颗粒作为目标颗粒，并选取目标颗粒在运动过程中的一个特定位置，确定目标颗粒在对应位置的一个特征点；通过图像处理，得到目标颗粒在其特征点后10帧的下落距离，之后通过计算得到目标颗粒在该处的瞬时速度的大小。

13、进一步的，记录目标颗粒运动过程中的特定位置的特征点为初始位置(x0，y0)，下落0.01s之后特征点的对应位置为(x1，y1)，则所述目标颗粒的在x轴方向和y轴方向的速度分别为：

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16、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

17、(1)、本发明可用于不同流速、颗粒粒径和浓度等工况参数下高压水驱动隔膜泵水力学性能模拟试验：通过依次改变颗粒浓度、输送速度和颗粒粒径等工况参数，开展模拟试验，将得到的数据与数值模型进行比较，可以验证数值模型及求解方法的可行性，并探究固相颗粒在隔膜泵腔内的运动特性及矿浆输送性能。

18、(2)、本发明可用于高压水驱动隔膜泵隔膜磨损试验：颗粒输送会对隔膜造成磨损，可更换隔膜材料、形状等参数，进行相同次数相同颗粒浓度输送实验，对比分析不同隔膜磨损程度，帮助预测隔膜寿命，针对隔膜进行优化。

19、(3)、本发明可用于高压水驱动隔膜泵输送压力脉动模拟试验：根据压力计记录管道中固液两相流的压力数据，通过计算机对获得的压力数据进行拟合，得到管道中的压力脉动，分析压力脉动对含粗颗粒固液两相流输送的影响；通过matlab simulink构建数学模型，通过算法进行优化控制，通过多隔膜泵并联减小压力脉动。

20、(4)本发明可用于高压水驱动隔膜泵堵塞模拟试验：选取不同粒径的颗粒进行实验；实验过程中通过高速摄影机拍摄隔膜泵，将拍摄高帧率入水视频进行逐帧图像处理，为了对比验证仿真中颗粒在级间下速度的正确性，选取目标颗粒在运动过程中的一个特定位置，确定颗粒在对应位置的一个特征点；通过图像处理，得到颗粒在其特征点后10帧(0.01s)的下落距离，之后通过计算就可以得颗粒在该处的瞬时速度的大小。通过对比颗粒在仿真和试验中对应位置的颗粒运动速度可以直观的验证数值模拟仿真和模型与实验中的数据吻合度和数据的有效性；并且通过对颗粒堆积图片进行比较分析，可以判定颗粒易团聚堆积区域，分析堆积原因，如：颗粒之间的互相碰撞以及粘结限制了颗粒的运动行为，最终导致颗粒在泵内泵内堵塞的发生。

21、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。