一种深海采矿提升管动态响应试验测试系统及方法

本发明涉及细长体结构流固耦合，尤其涉及一种波浪、外流及内部固-液两相流耦合作用下深海采矿提升管动态响应试验测试系统及方法。

背景技术：

1、深海蕴藏的丰富矿产资源是未来发展的物质基础，是可持续高质量发展的重要保障。目前，深海矿产资源开采设备具备一定的“探、采”的试验能力，但是缺乏持续长距离垂直提升能力。

2、目前主要的深海采矿系统主要由海底采矿系统、垂直提升系统和水面支持系统三部分组成，其中提升管是长距离垂直提升的核心部件，其长径比较大，在海流的作用下容易引发流致振动，同时受内部矿物颗粒固-液两相流的作用，响应可能进一步加剧，且在外部波浪影响下，其动态响应更为复杂，影响矿物提升效率，严重甚至会引发堵管，导致提升管发生失效破坏，造成重大安全事故。

3、在实际作业中，提升管在波浪、外流、固-液两相内流的耦合作用下会产生动态响应，并影响实际作业效率和寿命。现阶段，提升管在波浪、外流、固-液两相内流的耦合作用下的动态响应特性不明，缺乏波浪、外流、固-液两相内流的耦合作用下提升管动态响应试验测试系统。

技术实现思路

1、本发明主要目的是基于实际生产环境，提出一种深海采矿提升管动态响应试验测试系统及方法，通过测试系统开展不同环境程度下提升管系统等效模型的振动响应特性研究，获取提升管在波浪、外流、固-液两相内流的耦合作用下的动态响应，为指导以及提升实际生产作业效率提供数据支撑。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种深海采矿提升管动态响应试验测试系统，包括试验水槽、提升管系统等效模型和测量仪器；所述试验水槽包括造波机和流速控制仪；所述提升管系统等效模型包括采矿船模型、提升管模型、拉力传感器、提升泵组模型、中间仓模型、软管、流量计和水泵；所述软管包括上端软管和下端软管；所述采矿船模型浮于水面；所述提升管模型竖直设置，提升管模型上端与采矿船模型连接后再与所述上端软管连通，作为固-液两相流出口；所述拉力传感器安装于采矿船模型底部与提升管的连接处，用于采集采矿船模型与提升管模型之间的耦合力；所述提升泵组模型安装于提升管模型的中部；所述中间仓模型安装于提升管模型的下端；所述下端软管与所述提升管的下端连通，作为固-液两相流入口，下端软管上设置所述流量计和水泵；所述测量仪器包括运动平台、波高传感器、六自由度测量系统和水下摄像机；所述运动平台浮于水面，所述波高传感器安装于运动平台下方，所述六自由度测量系统安置于所述运动平台靠近采矿船模型的一侧；所述水下摄像机安装于水底，用于拍摄提升管模型动态振动响应情况。

4、上述方案中，所述上端软管和下端软管分别与物料仓连通，物料仓内装有固-液两相流，通过所述水泵将固-液两相混合流从物料仓泵送至上端采矿船模型，再通过上端软管将固-液两相流回流至物料仓。

5、上述方案中，所述采矿船模型、提升管模型、提升泵组模型和中间仓模型均是基于畸变相似理论设计的缩比等效模型，其中，采矿船模型等效实际生产过程中提升管系统的采矿船，用于模拟采矿船实际生产过程中的运动以及受力情况；提升管模型等效实际生产过程中的提升管；提升泵组模型等效实际生产过程中的水泵泵组；中间仓模型等效实际生产过程中的用于储存物质的仓。

6、上述方案中，所述采矿船模型采用木质加工而成。

7、上述方案中，所述提升管模型通过控制其长径比来等效实际提升管的直径和长度。

8、上述方案中，所述提升泵组模型采用缩比模型设计，等效为带有一定质量的质量块，质量块的数量根据实际生产过程中的水泵泵组数量对应设置。

9、上述方案中，所述中间仓模型采用缩比模型设计，等效为带有一定体积和质量的质量块。

10、上述方案中，所述测量仪器还包括高速相机，所述高速相机安装于水底，用于拍摄所述流量计的显示参数。

11、上述方案中，所述造波机为推板式造波机，位于所述试验水槽前端；所述流速控制仪置于造波机后方，用于对循环水槽流速进行控制，实现对外流流速的控制。

12、相应的，本发明还提出一种深海采矿提升管动态响应试验测试方法，采用上述深海采矿提升管动态响应试验测试系统，包括以下步骤：

13、s1、按要求在试验水槽中安装所述提升管系统等效模型和测量仪器；

14、s2、通过控制变量的方式逐一开展外流流速、波浪、固-液两相流流速、固-液两相流浓度参数对提升管动态响应的影响试验，试验过程中，外流流速通过流速控制仪控制；波浪通过造波机控制，并通过波高传感器实现波浪数据检测；内部固-液两相流的流速通过水泵和流量计协调作用控制并检测；固-液两相流浓度则是通过控制物料仓内水源实现，并通过流量计检测；

15、s3、通过拉力传感器实时采集采矿船模型与提升管模型之间的耦合力，通过非接触式六自由度测量系统实时采集采矿船模型的运动参数，通过水下摄像机拍摄提升管模型的运动状态；最后对采集数据进行分析，确定不同参数对提升管的影响规律。

16、本发明产生的有益效果是：

17、本发明考虑实际生产过程中提升管系统组成以及生产环境，首先建立提升管系统等效模型，基于畸变相似理论开展采矿船、提升管、提升泵组及中间仓的等效模型设计，可等效实际生产过程中提升管系统的采矿船、提升管、水泵泵组、储存仓；其次，模拟提升管系统的试验环境，通过波流一体化循环水槽提供动力，水槽配有造波机以及流速控制仪，其可以兼具造波和造流，模拟实际生产环境的波浪和海流环境；最后安装测量仪器。可以通过控制变量的方式逐一开展外流流速、波浪、固-液两相流流速、固-液两相流浓度参数对提升管动态响应的影响试验。试验过程中，外流流速通过流速控制仪控制；波浪通过造波机控制，并通过波高传感器实现波浪数据检测；内部固-液两相流的流速通过水泵和流量计协调作用控制并检测。改变影响参数后，通过拉力传感器实时采集采矿船模型与提升管模型之间的耦合力，通过非接触式六自由度测量系统实时采集采矿船模型的运动参数，通过水下摄像机拍摄提升管模型的运动状态，最后对采集数据进行分析，确定不同参数对提升管的影响规律。基于研究结果，可以指导实际生产工作，为提升管系统振动动态响应特性研究提供试验支撑和数据支持。

技术特征：

1.一种深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，包括试验水槽、提升管系统等效模型和测量仪器；

2.根据权利要求1所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述上端软管和下端软管分别与物料仓连通，物料仓内装有固-液两相流，通过所述水泵将固-液两相混合流从物料仓泵送至上端采矿船模型，再通过上端软管将固-液两相流回流至物料仓。

3.根据权利要求1所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述采矿船模型、提升管模型、提升泵组模型和中间仓模型均是基于畸变相似理论设计的缩比等效模型，其中，采矿船模型等效实际生产过程中提升管系统的采矿船，用于模拟采矿船实际生产过程中的运动以及受力情况；提升管模型等效实际生产过程中的提升管；提升泵组模型等效实际生产过程中的水泵泵组；中间仓模型等效实际生产过程中的用于储存物质的仓。

4.根据权利要求3所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述采矿船模型采用木质加工而成。

5.根据权利要求3所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述提升管模型通过控制其长径比来等效实际提升管的直径和长度。

6.根据权利要求3所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述提升泵组模型采用缩比模型设计，等效为带有一定质量的质量块，质量块的数量根据实际生产过程中的水泵泵组数量对应设置。

7.根据权利要求1所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述中间仓模型采用缩比模型设计，等效为带有一定体积和质量的质量块。

8.根据权利要求1所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述测量仪器还包括高速相机，所述高速相机安装于水底，用于拍摄所述流量计的显示参数。

9.根据权利要求1所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，其特征在于，所述造波机为推板式造波机，位于所述试验水槽前端；所述流速控制仪置于造波机后方，用于对循环水槽流速进行控制，实现对外流流速的控制。

10.一种深海采矿提升管动态响应试验测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的深海采矿提升管动态响应试验测试系统，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种深海采矿提升管动态响应试验测试系统，试验水槽包括造波机和流速控制仪；提升管系统等效模型包括采矿船模型、提升管模型、拉力传感器、提升泵组模型、中间仓模型、软管、流量计和水泵；采矿船模型浮于水面；提升管模型上端与采矿船模型连接后再与上端软管连通，作为固‑液两相流出口；拉力传感器安装于采矿船模型底部与提升管的连接处；提升泵组模型和中间仓模型分别安装于提升管模型的中部和下端；下端软管与提升管的下端连通，作为固‑液两相流入口，下端软管上设置流量计和水泵；测量仪器包括运动平台、波高传感器、六自由度测量系统和水下摄像机。本发明可开展不同环境程度下提升管系统等效模型的振动响应特性研究。技术研发人员：陈威,李然,徐子昂,孙宗昊,包羿涵,李佳琪,王思奥,李晓彬,张文耀,柴威受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12