CN115077964A - 机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械‑水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，包括主体管道、循环水力动力系统、机械提升系统、测量监视系统、控制系统、数据处理系统；主体管道包括垂直管体；循环水力系统至少包括循环管道、水箱、水泵和阀门；机械提升系统至少包括运载体、牵引绳、卷扬机、电机；测量监视系统至少包括拉力计、流量计、高速摄像机和转速传感器；控制系统用于实现电机开关控制、电机转速控制、水泵开关控制、水泵转速控制；数据处理系统至少包括数据处理分析软件和计算机硬件。该实验平台可以模拟机械‑水力混合式颗粒体垂直提升系统的颗粒相‑流体相‑机械相三相间相互作用，分析不同输送参数对颗粒、流体、机械三相间相互作用机理的影响规律。

Description

机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台及其实验方法

技术领域

本发明涉及颗粒体垂直提升输送领域，具体为一种充满流体的管道内机械-水力混合式颗粒垂直提升实验平台及其实验方法。

背景技术

海洋矿产资源十分丰富，包含大量我国稀缺的金属资源。随着人类对资源的需求的增加，陆上资源逐渐枯竭，而海底的大量可再生的矿产资源必将成为未来解决世界资源的关键。对于国际海底区域的矿产资源，更要求我们尽快完成对深海矿产资源开采的研究。

海洋的矿产资源包括多金属结核、富钴结壳、热液硫化物等，其多存在于1500-6000米的海底表层，欲将其开发利用需要高效可靠、绿色环保并且可长期运行的采矿系统。目前国内外学者已经提出的采矿垂直提升系统有：拖网采矿系统、连续链斗系统、穿梭潜水器系统、水力式矿浆垂直提升系统、水下矿浆气力垂直提升等。其中水力式矿浆垂直提升系统因为其可靠度高，环保性强被认为是实现深海开采作业的方案，并且国内外大量学者都在对其开展研究。但其存在输送矿石浓度低、输运速度小、允许通过矿石粒径小、能量利用率低等局限性。为此，新提出的机械-水力混合式矿石垂直提升系统通过机械提供主要动力以固液段塞流流态垂直提升多金属结核，水力提供辅助动力垂直提升矿浆，从而克服矿石粒径限制并显著提高能量利用效率。

由于固液段塞流中颗粒、流体、机械三相间相互作用机理对于机械-水力混合式垂直提升输送系统的输送性能有着十分显著的影响，为了进一步研究段塞流中颗粒、流体和机械三相间相互作用机理，及其对于机械-水力混合式颗粒垂直提升系统的输送效率影响显著。本申请建立了一个研究颗粒、流体和机械三相间相互作用机理的实验平台以及采用该平台进行实验的方法。该实验平台可以模拟机械-水力混合式颗粒垂直提升系统的三相间相互作用，分析不同输送参数如：颗粒浓度，矿浆粘度，段塞流高度，输送速度，水流与机械功率分配等对颗粒、流体、机械三相间相互作用机理的影响规律。通过开展实验分析进一步完善机械-水力混合式颗粒垂直提升系统的设计，以解决现有颗粒垂直提升系统所存在的局限性，促进深海采矿工程装备的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，该实验平台用机械运载体和流体共同实现管道内颗粒体的垂直提升运动变化，用于对机械-水力混合式矿石垂直提升系统的垂直提升部分进行模拟，包括由机械动力系统在无流体、有流体、流体提供动力的工况下垂直提升颗粒，循环水力动力系统在有无机械垂直提升动力情况下对颗粒体进行垂直提升，测量不同垂直提升速度，不同浆体粘度/密度、不同流速、不同颗粒堆积方式/高度对颗粒体、流体、机械三相间相互作用影响，机械-水力耦合工作时对比机械结构垂直提升和水力式垂直提升分别单独工作时能量效率的垂直提升。

对比公开号为CN 111322253 A的专利中发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台，在实验模拟对象方面本发明的机械-水力混合式粗颗粒垂直提升实验装置所模拟的对象并非传统的水力粗颗粒矿石提升系统；在实验模拟工况方面本发明的机械-水力混合式粗颗粒垂直提升实验装置的的实验模拟工况更加丰富，可以从更多角度去分析粗颗粒矿石在提升过程中的阻力所受的影响因素。此外上述已公开的专利发明的实验平台的实验目的在于通过分析不同颗粒浓度、颗粒粒径、颗粒形态、速运速度对输送管道中流体形态及离心泵工作状态的影响来解决水力垂直提升系统可靠性、稳定性、效率底下的问题。而本发明的实验平台的实验目的使用机械-水力混合式颗粒体垂直提升的技术方案，在水力提升的基础上解决水力垂直提升系统存在的输送矿石浓度低、输运速度小、允许通过矿石粒径小、能量利用率低等局限性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：本发明的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，包括主体管道、循环水力动力系统、机械提升系统、测量监视系统、控制系统和数据处理系统；

所述主体管道包括透明或非透明或部分透明的垂直管体和连接法兰，使颗粒体、流体和运载体在所述处置管体内垂直上下运动；另外，为了便于更换不同材质的主体管道，主体管道的上端和下端可采用现有的快换接头接入循环水路；

所述循环水力系统至少包括用于与所述主体管道连通并共同形成循环水路的循环管道、用于为循环水路提供水的水箱、提供水循环动力的水泵和用于控制循环水路开闭的阀门；所述循环管路可采用现有任意结构的管道通过法兰连接而成，整个循环管路的一端与主体管道的上端连通，另一端与主体管道的下端连通，使流体能够自下而上循环流经主体管道即可；水泵和阀门分别用于为流体提供动力以及控制流体的启停，其可布置在循环管路的任意位置；

所述机械提升系统至少包括运载体、连接运载体的牵引绳、用于缠绕并拉动牵引绳的卷扬机和用于驱动卷扬机的电机；所述运载体包括上圆盘、下圆盘和固定上圆盘和下圆盘的中间连接杆，且上圆盘与下圆盘之间形成颗粒体承载区；卷扬机可布置在主体管道上方直接拉动牵引绳，也可在主体管道上方布置定滑轮组，而将卷扬机布置在主体管道下部的安装平台上，牵引绳绕过定滑轮组后与运载体相连，通过定滑轮组改变牵引绳的方向。

所述测量监视系统包括用于采集所述牵引绳拉力的拉力计、用于采集循环水路内流体流量的流量计、用于拍摄运载体内颗粒图像的高速摄像机和用于采集变频调速电机转速的转速传感器；通过拉力计可以获取运载体的受力状态，通过流量计可以控制主体管道内流体的流速，而通过转速传感器可以控制运载体的垂直提升速度。

所述控制系统可以集中控制实验平台的的设备，包括电机开关控制、电机转速控制、水泵开关控制、水泵转速控制、电磁阀门开关控制等；在实验过程中出现紧急情况可以通过控制系统的紧急停止开关，使实验平台停止运行，保护实验人员安全。

所述数据处理系统包括信号采集卡和用作数据处理的计算机。实验平台的检测系统的各种传感器装置与采集卡信号连接，将实验过程中的数据传输至计算机中，由数据处理软件进一步对数据进行处理。

进一步的，所述主体管道内的运载体设有两个，两运载体分别用于承载粗颗粒和细颗粒；所述机械提升系统的牵引绳、卷扬机和变频调速电机设置两组，分别用于垂直提升两运载体；所述运载体的中间连接杆为空心杆，使其中一牵引绳可穿过上方的运载体与下方的运载体连接；通过两个分别装载有粗颗粒和细颗粒的运载体进行实验，可以有效提高实验的效率。

进一步的，所述循环管道包括回水管道和水平管道；所述水箱包括回水水箱和供水水箱；所述回水水箱设置于主体管道上端；所述水平管道一端与主体管道下端连通，另一端与供水水箱连通；所述回水管道一端与回水水箱连通，另一端与供水水箱连通；所述水泵、流量计和阀门均与水平管道连接；通过水平管道提供一段平稳的流体流段可提高流速测量准确性。

进一步的，所述机械提升系统还包括限位开关；当所述运载体被垂直提升至极限位置时将触发限位开关动作，控制变频调速电机停转；限位开关可采用行程开关或接近开关等；所述牵引绳的中段可固定一触发件，当运载体垂直提升行程到达极限值时，触发件触碰或到达限位开关的感应距离时，可通过其发送的开关信号控制变频调速电机停转，避免运载体垂直提升高度超过设计值而损坏设备。

本发明还公开了一种利用上述颗粒垂直提升实验平台进行实验方法，包括以下步骤：

s1.确保所述主体管道内无流体，在两所述运载体内分别装载粗颗粒和细颗粒；

s2.改变所述主体管道的材质、运载体内粗颗粒的堆积高度、细颗粒的堆积高度进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s3.分析运载体的垂直提升运动阻力与主体管道材料、运载体内颗粒堆积高度、粒径大小的关系。

本发明还公开了另一种利用上述颗粒垂直提升实验平台进行实验方法，包括以下步骤：

s1.在两所述运载体内分别装载粗颗粒和细颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并关闭所述阀门，使主体管道内的流体保持静止；

s3.改变流体密度、主体管道的材质、运载体内粗颗粒的堆积高度、细颗粒的堆积高度进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度的静止流体条件下的垂直提升运动阻力与主体管道材料、流体密度、运载体内颗粒堆积高度、粒径大小的关系。

本发明还公开了另一种利用上述颗粒垂直提升实验平台进行实验方法，包括以下步骤：

s1.在一个所述运载体内装载颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并开启所述阀门和水泵，使主体管道内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和水泵控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速和运载体内颗粒的堆积高度，并保持运载体静止；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与主体管道内流体密度、流速和运载体内颗粒堆积高度的关系。

本发明还公开了另一种利用上述颗粒垂直提升实验平台进行实验方法，包括以下步骤：

s1.在一个所述运载体内装载颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并开启所述阀门和水泵，使主体管道内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和水泵控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速、运载体内颗粒的堆积高度和运载体垂直提升速度，进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与颗粒-流体密度比、流速、运载体垂直提升速度和颗粒堆积高度的关系。

本发明还公开了另一种利用上述颗粒垂直提升实验平台进行实验方法，包括以下步骤：

s1.在两所述运载体内分别装载粗颗粒和细颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并开启所述阀门和水泵，使主体管道内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和水泵控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速、运载体内粗颗粒的堆积高度、运载体内细颗粒的粒径大小和运载体垂直提升速度，进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与颗粒-流体密度比、粗-细颗粒粒径比、流体流速、运载体垂直提升速度和颗粒堆积高度的关系。

本发明的有益效果：

1.本发明的实验平台可以实现对机械-水力混合式矿石垂直提升系统工作状态的模拟，既可以模拟系统在机械和水力耦合作用下的工作状态，又可模拟只在机械动力或水力动力单独作用下的工作状态。

2.本发明的实验平台循环水力系统可以使实验中使用的浆体完成水路循环，一方面可以节约调配浆体样本的成本，另一方面也避免了浆体物理特性变化而产生的影响。

3.本发明的实验平台既可实现运载体在主体管道内的静止，又可实现其垂直提升运动，较之其它水力式垂直提升实验平台能更好地实现对颗粒运动的控制。

4.本发明的实验平台利用与运载体相连的牵引绳上的拉力计，实现对颗粒受流体作用力的准确测量，较之其它水力式垂直提升实验平台能更准确地实现颗粒和流体两相间相互作用力的测量。

5.本发明的实验平台不仅可以通过传感器的数据对颗粒、流体和机械三相间的相互作用力进行数据采集，还可以通过高速摄像机对垂直提升过程中的颗粒、流体和机械三相间的相互作用进行运动形态分析。

6.本发明的实验平台可以实现不同颗粒粒径、形状、密度的颗粒垂直提升实验。

7.本发明的实验平台可以实现不同颗粒体垂直提升速度的实验。

8.本发明的实验平台可以实现不同浆体流速的实验。

9.本发明的实验平台采用电动控制和传感器测量，可以实现提升速度、水泵流量实时调节和多参数的实时采集统计。

10.本发明的实验平台的垂直提升系统主体管道可以更换不同材质的管道，获得管道材质、表面粗糙度等对于垂直提升阻力的影响。

11.本发明的实验平台机械提升系统设有限位开关，循环水力系统装有吸振器保证了实验过程中以及长期使用的安全。

附图说明

图1为本发明的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台的整体示意图。

图2为本发明的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台的摄像头轨道细节示意图。

图3为本发明的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台运载体细节示意图。

图中：1-滑轮组；2-主体管道；3-拉力计Ⅰ；4-拉力计Ⅱ；5-钢丝牵引绳；6-回水水箱；7-卷扬机Ⅰ；8-变频调速电机Ⅰ；9-供水水箱；10-回水管道；11-阀门；12-高速摄像机；13-摄像机安装架；14-电磁流量计；15-离心泵；16-吸振器；17-卷扬机Ⅱ；18-变频调速电机Ⅱ；19-运载体Ⅰ；20-运载体Ⅱ；21-压力计Ⅰ；22-压力计Ⅱ；23-水平管道；24-主体管道固定架；25-固定底座；26-限位开关；27-数据处理计算机；28-控制系统。

具体实施方式

实施例一机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台

如图1所示，本实施例的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，包括主体管道2、循环水力动力系统、机械提升系统、测量监视系统、控制系统和数据处理系统；

所述主体管道2包括透明或非透明或部分透明的垂直管体(采用非透明主体管道时，需在管道上设置透明的观测窗)、连接法兰和固定底座25，使颗粒体、流体和运载体在所述垂直管体内垂直上下运动；所述主体管道2采用垂直安装的亚克力管、钢管或其他材质的管道制作，其固定安装在不锈钢材料制作的固定底座25上，另外，为提高主体管道2安装的稳定性，主体管道2外还可设置多个抱箍结构的主体管道固定架24。

所述循环水力系统包括用于与所述主体管道2连通并共同形成循环水路的循环管道、用于为循环水路提供水的水箱、用于为提供水循环动力的离心泵15和用于控制循环水路开闭的阀门11；所述循环管路包括回水管道10、水平管道23；所述水箱包括回水水箱6和供水水箱9；所述水平管道23的左端通过弯管与主体管道2的下端连接，水平管道23与弯管之间安装有阀门11，水平管道23中部装有电磁流量计14，水平管道23右端与离心泵15连接，离心泵15另一端与供水水箱9连接，回水水箱6置于主体管道2上方并通过法兰与主体管道2连接，回水水箱6与供水水箱9之间安装有回水管道10。所述主体管道2、回水管道10和水平管道23相互连通后形成循环管路，所述离心泵15、电磁流量计14和阀门11均设置于水平管道23所在的管路上；通过离心泵15使流体能够自下而上循环流经主体管道2；离心泵15底部设有吸振器16以抑制离心泵15工作过程中产生的振动，保证了实验的安全性；所述水平管道23提供一段平稳的流体流段可提高流速测量准确性，而阀门11可控制流体的静止或流动。

所述机械提升系统包括可沿主体管道2轴线移动的运载体Ⅰ19和运载体Ⅱ20、分别用于连接运载体Ⅰ19和运载体Ⅱ20的两条钢丝牵引绳5、用于分别缠绕并拉动两钢丝牵引绳5的卷扬机Ⅰ7和卷扬机Ⅱ17、用于分别驱动卷扬机Ⅰ7和卷扬机Ⅱ17转动的变频调速电机Ⅰ8和变频调速电机Ⅱ18；所述运载体Ⅰ19和运载体Ⅱ20分别用于承载粗颗粒和细颗粒；所述运载体包括上圆盘、下圆盘和固定上圆盘和下圆盘的中间连接杆，且上圆盘与下圆盘之间形成颗粒承载区；所述主体管道2上方布置定滑轮组1，而卷扬机Ⅰ7和卷扬机Ⅱ17布置在主体管道2下部的安装平台上，牵引绳5绕过定滑轮组1后与运载体Ⅰ19或运载体Ⅱ20相连，通过定滑轮组1改变牵引绳5的方向。所述运载体的中间连接杆为空心杆，使连接运载体Ⅱ20的钢丝牵引绳5可穿过运载体Ⅰ19的中间连接杆与下方的运载体Ⅱ20连接。所述主体管道2上方位于钢丝牵引绳5一侧可设置限位开关26；当所述运载体被垂直提升至极限位置时将触发限位开关26动作，控制变频调速电机停转；限位开关26可采用行程开关或接近开关等；所述牵引绳5的中段可固定一触发件，当运载体垂直提升行程到达极限值时，触发件触碰或到达限位开关26的感应距离时，可通过其发送的开关信号控制变频调速电机停转，避免运载体垂直提升高度超过设计值而损坏设备。

所述测量监视系统包括用于采集两钢丝牵引绳5拉力的拉力计Ⅰ3和拉力计Ⅱ4、设置在水平管道23用于采集流体流量的电磁流量计14、用于拍摄运载体内颗粒图像的高速摄像机12、用于采集变频调速电机转速的转速传感器和设置于主体管道2上下端的压力计Ⅰ21和压力计Ⅱ22用于测量实验过程中的压降值，所测得的压降值可用于计算提升阻力计算；所述主体管道2侧部设有固定安装高速摄像机12的摄像机安装架13，高速摄像机12安装在单独垂直轨道上，通过运动控制实现与运载体同步移动，可以对垂直提升过程中的颗粒、流体和机械三相间的相互作用进行运动形态分析；通过拉力计可以获取运载体的受力状态，通过电磁流量计14可以控制主体管道2内流体的流速，而通过转速传感器可以获取变频调速电机的转速，从而控制运载体的垂直提升速度。

实施例二无流体工况颗粒垂直提升实验方法

本实施例的实验方法，包括以下步骤：

s1.确保所述主体管道2内无流体，在运载体Ⅰ19内装载粗颗粒，运载体Ⅱ20内装载细颗粒；

s2.开启变频调速电机Ⅰ8和变频调速电机Ⅱ18反复进行运载体垂直提升实验，同时通过法兰更换主体管道来改变所述主体管道2的材质、运载体Ⅰ19内粗颗粒的堆积高度、运载体Ⅱ20内细颗粒的堆积高度；通过高速摄像机12获得颗粒的加速度、位移等颗粒运动特征，通过拉力计Ⅰ3和拉力机Ⅱ获得两条钢丝牵引绳5的拉力值；

s3.分析运载体的垂直提升运动阻力与主体管道2材料、运载体内颗粒堆积高度、粒径大小的关系。

实施例三流体静止运载体垂直提升工况颗粒垂直提升实验方法

本实施例的实验方法，包括以下步骤：

s1.在运载体Ⅰ19内装载粗颗粒，运载体Ⅱ20内装载细颗粒；

s2.开启离心泵15向主体管道2内注入流体使主体管道2内充满流体，然后关闭阀门11和离心泵15，使主体管道2内的流体保持静止；

s3.开启变频调速电机Ⅰ8和变频调速电机Ⅱ18反复进行运载体垂直提升实验，同时改变流体密度、主体管道2的材质、运载体Ⅰ19内粗颗粒的堆积高度、运载体Ⅱ20内细颗粒的堆积高度；通过高速摄像机12获得颗粒运动特征，通过拉力计Ⅰ3和拉力机Ⅱ获得两条钢丝牵引绳5的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度的静止流体条件下的垂直提升运动阻力与主体管道2材料、流体密度、运载体内颗粒堆积高度、粒径大小的关系。

实施例四流体垂直提升运载体静止工况颗粒垂直提升实验方法

本实施例的实验方法，包括以下步骤：

s1.在运载体Ⅰ19内装载粗颗粒并保持运载体静止；

s2.开启离心泵15和阀门11向主体管道2内注入流体，使主体管道2内的流体在循环管路中循环流动并通过电磁流量计14和离心泵15控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速和运载体Ⅰ19内粗颗粒的堆积高度；通过高速摄像机12获得粗颗粒运动特征，通过拉力计Ⅰ3获得钢丝牵引绳5的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与主体管道2内流体密度、流速和运载体内颗粒堆积高度的关系。

实施例五流体和单运载体同时垂直提升工况颗粒垂直提升实验方法

s1.在运载体Ⅰ19内装载粗颗粒；

s2.开启阀门11和离心泵15使主体管道2内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和离心泵15控制流体的流速；

s3.开启变频调速电机Ⅰ8反复进行运载体垂直提升实验，同时改变流体密度、流体流速、运载体内颗粒的堆积高度和运载体Ⅰ19垂直提升速度，并通过高速摄像机12获得颗粒运动特征，通过拉力计Ⅰ3获得钢丝牵引绳5的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与颗粒-流体密度比、流速、运载体垂直提升速度和颗粒堆积高度的关系。

实施例六流体和单运载体同时垂直提升工况颗粒垂直提升实验方法

s1.在运载体Ⅰ19内装载粗颗粒，运载体Ⅱ20内装载细颗粒；

s2.开启阀门11和离心泵15使主体管道2内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和离心泵15控制流体的流速；

s3.开启变频调速电机Ⅰ8和变频调速电机Ⅱ18反复进行运载体垂直提升实验，改变流体密度、流体流速、运载体Ⅰ19内粗颗粒的堆积高度、运载体Ⅱ20内细颗粒的粒径大小和运载体Ⅰ19垂直提升速度；通过高速摄像机12获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与颗粒-流体密度比、粗-细颗粒粒径比、流体流速、运载体垂直提升速度和颗粒堆积高度的关系。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，其特征在于：包括主体管道、循环水力动力系统、机械提升系统、测量监视系统、控制系统和数据处理系统；

所述主体管道包括透明或非透明或部分透明的垂直管体和连接法兰，使颗粒体、流体和运载体在所述垂直管体内垂直上下运动；

所述循环水力系统至少包括用于与所述主体管道连通并共同形成循环水路的循环管道、用于为循环水路提供水的水箱，用于提供水循环动力的水泵和用于控制循环水路开闭的阀门；

所述机械提升系统至少包括运载体、连接运载体的牵引绳、用于缠绕牵引绳的卷扬机和用于驱动卷扬机的电机；所述运载体包括上圆盘、下圆盘和固定上圆盘和下圆盘的中间连接杆，且上圆盘与下圆盘之间形成颗粒体承载区；

所述测量监视系统包括用于采集所述牵引绳拉力的拉力计、用于采集循环水路内流体流量的流量计、用于拍摄运载体内颗粒运动的高速摄像机和用于采集电机转速的转速传感器；

所述控制系统用于控制所述电机的启停和转速、所述水泵的启停和转速；

所述数据处理系统包括信号采集卡和用于处理数据的计算机；所述实验平台中各传感器与信号采集卡信号连接，用于将实验过程中的数据传输至计算机中，由数据处理软件对数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，其特征在于：所述主体管道内的运载体设有两个，两运载体分别用于承载粗颗粒和细颗粒；所述机械提升系统的牵引绳、卷扬机和变频调速电机设置两组，分别用于垂直提升两运载体；所述运载体的中间连接杆为空心杆，使其中一牵引绳可穿过上方的运载体与下方的运载体连接。

3.根据权利要求1所述的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，其特征在于：所述循环管道包括回水管道和水平管道；所述水箱包括回水水箱和供水水箱；所述回水水箱设置于主体管道上端；所述水平管道一端与主体管道下端连通，另一端与供水水箱连通；所述回水管道一端与回水水箱连通，另一端与供水水箱连通；所述水泵、流量计和阀门均与水平管道相连接。

4.根据权利要求1所述的机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，其特征在于：所述机械提升系统还包括限位开关；当所述运载体被垂直提升至极限位置时将触发限位开关动作，控制电机停转。

5.一种采用权利要求1-5任一项所述的颗粒体垂直提升实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.确保所述主体管道内无流体，在两所述运载体内分别装载粗颗粒和细颗粒；

s2.改变所述主体管道的材质、运载体内粗颗粒的堆积高度、细颗粒的堆积高度进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s3.分析运载体的垂直提升运动阻力与主体管道材料、运载体内颗粒堆积高度、粒径大小的关系。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的颗粒体垂直提升实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤:

s1.在两所述运载体内分别装载粗颗粒和细颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并关闭所述阀门，使主体管道内的流体保持静止；

s3.改变流体密度、主体管道的材质、运载体内粗颗粒的堆积高度、细颗粒的堆积高度进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同黏度的静止流体条件下的垂直提升运动阻力与主体管道材料、流体密度、流体黏度、运载体内颗粒堆积高度、粒径大小的关系。

7.一种采用权利要求1-5任一项所述的颗粒垂直提升实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤:

s1.在一个所述运载体内装载颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并开启所述阀门和水泵，使主体管道内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和水泵控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速和运载体内颗粒的堆积高度，并保持运载体静止；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与主体管道内流体密度、流速和运载体内颗粒堆积高度的关系。

8.一种采用权利要求1-5任一项所述的颗粒垂直提升实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤:

s1.在一个所述运载体内装载颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并开启所述阀门和水泵，使主体管道内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和水泵控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速、运载体内颗粒的堆积高度和运载体垂直提升速度，进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与颗粒-流体密度比、流速、运载体垂直提升速度和颗粒堆积高度的关系。

9.一种采用权利要求1-5任一项所述的颗粒垂直提升实验平台的实验方法，其特征在于，包括以下步骤:

s1.在两所述运载体内分别装载粗颗粒和细颗粒；

s2.确保所述主体管道内充满流体，并开启所述阀门和水泵，使主体管道内的流体在循环管路中循环流动并通过流量计和水泵控制流体的流速；

s3.改变流体密度、流体流速、运载体内粗颗粒的堆积高度、运载体内细颗粒的粒径大小和运载体垂直提升速度，进行运载体垂直提升实验；通过高速摄像机获得颗粒运动特征，通过拉力计获得牵引绳的拉力值；

s4.分析运载体在不同密度、不同流速流体条件下，运载体的受力与颗粒-流体密度比、粗-细颗粒粒径比、流体流速、运载体垂直提升速度和颗粒堆积高度的关系。

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