CN117469144B - 高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置及方法，输送装置包括试验平台、高速摄影机和计算机，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，高速摄影机记录颗粒进出隔膜泵以及在隔膜泵泵腔内的运动历程；计算机对第一电磁阀、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进行顺序控制。本发明可用于高压水驱动隔膜泵水力学性能模拟试验隔膜泵隔膜磨损试验、隔膜泵输送压力脉动模拟试验和隔膜泵堵塞模拟试验，通过模拟试验获得相关模拟试验数据，为固相颗粒在隔膜泵腔内的运动特性及矿浆输送性能改善、隔膜优化、减小管道内压力脉动以及预防隔膜泵堵塞等提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及两相流动实验测试技术领域，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
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。
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。
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。
发明内容
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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；
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；
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；
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；
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。
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。
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：
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(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。
(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。
(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。
(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。
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。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置的结构示意图；
图2是本发明中试验平台的结构示意图；
图3是本发明中隔膜泵的横截面图；
其中，1-高压水泵，2-第一电磁阀，3-流量计，4-第一水箱，5-第二电磁阀，6-加料罐，7-压力计，8-第三电磁阀，9-第二水箱，10-隔膜泵，10.1-球状外壳，10.2-隔膜片，11-第四电磁阀，12-第五电磁阀，13-第六电磁阀，14-第三水箱，15-高速摄影机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖多种不同方式的实施。
实施例1
请参见图1至图3，本实施例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15和计算机；具体结构如下：
试验平台包括高压水泵1、第一水箱4、第二水箱9、第三水箱14、加料罐6、压力计7和隔膜泵10，高压水泵1的进水口和出水口分别通过进水管和出水管与第三水箱14相连，出水口还通过第一水管与第一水箱4的进水口相通，第一水箱4的出水口通过第二水管与隔膜泵10的左口端连通，隔膜泵10的右口端通过第三水管和第四水管分别与第三水箱14和出水管连通。第三水管上设有第四电磁阀11，第四水管上设有第五电磁阀12；第一水管上沿水流方向依次设有第一电磁阀2和流量计3；加料罐6通过输送管与第一水箱4连通，输送管上设有第二电磁阀5；压力计7设置在第二水管上且于第一水箱4与第五水管之间，用于记录管道中固液两相流压力数据；第二水箱9通过第五水管与第二水管连通，第五水管上设有第三电磁阀8；出水管上设有第六电磁阀13。高速摄影机15设置在试验平台的一侧，用于记录颗粒进出隔膜泵10以及在隔膜泵10泵腔内的运动历程。计算机分别与第一电磁阀2、第二电磁阀5、第三电磁阀8、第四电磁阀11、第五电磁阀12和第六电磁阀13相连接，通过对这些电磁阀进行顺序控制，进而实现高压水驱动下含粗颗粒固液两相流的注入和输出。计算机与高速摄影机15相连接，以对高速摄影机15获取的图像进行处理，最终得到颗粒的运动速度和轨迹。计算机与压力计7相连接，用于对压力计7记录的数据进行拟合，从而得到管道中的压力脉动。
在一种具体的实施方式中，第二水管上且于第一水箱4与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7，压力计7与计算机相连接，计算机用于对压力计7记录的数据进行拟合，从而得到管道中的压力脉动。
在一种具体的实施方式中，计算机通过采集卡接收来自压力7计产生的电流信号，在收到电流信号后：
首先对信号进初步处理，包括：1)、信号滤波；通过滤波算法，过滤掉无关的或是干扰的信号，仅保留与压力变化相关的信息。2)、信号去噪；采用去噪技术减少或消除信号中的随机噪声，使数据更为清晰。3)、信号放大；根据需要放大某些特定的信号段，使其在后续处理中更为明显。上述初步处理目的是为了提高数据的质量和准确性。经过初步处理后，计算机将根据处理后的数据生成管道中的原始压力曲线。
接着，系统截取与隔膜泵运动一个周期相对应的压力曲线部分。对这部分截取的压力曲线，计算机将进行进一步的处理，包括：1)、平滑处理；通过某种算法，如移动平均，消除或减小曲线中的小幅噪声或干扰，使曲线更加平滑。2)、参数分析；计算机将对曲线进行深入的分析，测量其峰值、谷值和平均值等关键参数。这些参数能够反映出管道内的压力变化特性。
最后，计算机还将对压力曲线进行频谱分析。频谱分析可以揭示不同频率下的压力变化，从而帮助检测到某些特定的压力脉动现象。
经过上述综合的数据处理步骤后，计算机最终输出描述管道内压力脉动的结果。
将得到的压力脉动结果保存为MATLAB可识别的格式，然后在MATLAB中使用相应的导入函数将数据读入工作空间。接着，启动MATLAB Simulink，并创建一个新模型。在此模型中，根据管道和隔膜泵的特性添加必要的组件和块，如积分器、微分器和传输函数，并将之前导入的数据与模型连接。为了实现优化控制，可以选择一个合适的优化算法，如梯度下降或遗传算法，并利用Optimization Toolbox进行实施。随后，模拟多个隔膜泵的并联操作，使每个泵分享整体压力，从而分散并减小单一泵产生的压力脉动。通过调整每个隔膜泵的参数，如工作频率，确保整体压力脉动最小化。完成设置后，运行仿真并观察结果，评估并联策略的效果。如满足预期，可将优化后的参数或结果导出，为实际应用提供参考。
在一种具体的实施方式中，隔膜泵10包括球状外壳10.1和纵向设置在球状外壳内的隔膜片10.2，隔膜片将球状外壳的腔室分成相互独立的左腔室和右腔室。隔膜泵10上安装有用于获得隔膜片瞬时位置的电感传感器，计算机通过对膜片位置数据的分析处理，就可以得到膜片的运动速度、加速度等参数及周期运动规律。仿真模拟平台基于CFD-DEM耦合方法，调用已构建和编写的矿物颗粒离散元模型开展高压水驱动隔膜泵内流场颗粒群固液两相流过程模拟，可监测整个流场的速度和压力分布，颗粒宏观流动结构及演化，颗粒浓度分布，颗粒受力及运动轨迹。
实施例2
本发明实施例还提供了一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送方法，采用上述实施例1中的高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置，该方法包括如下步骤：
S1、将高压水泵1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10的腔体中均充满流体。
S2、将第一电磁阀2、第三电磁阀8、第四电磁阀11和第五电磁阀12关闭，并将第六电磁阀13打开；向加料罐6中添加粗颗粒，并通过控制第二电磁阀5的开关时间改变隔膜泵输入流体的颗粒浓度。
S3、待颗粒浓度稳定后，关闭第二电磁阀5和第六电磁阀13，打开第一电磁阀2和第四电磁阀11；此时，含粗颗粒固液两相流注入隔膜泵10的左腔室，使得隔膜泵内的隔膜片向右形变，隔膜泵10的右腔室中的含粗颗粒固液两相流(水)则被排出泵体进入第三水箱14。
S4、关闭第一电磁阀2和第四电磁阀11，打开第三电磁阀8和第五电磁阀12；此时，高压水注入隔膜泵10的右腔室，隔膜片10.2向左形变，含粗颗粒固液两相流从隔膜泵10的左腔室排出，排入第二水箱9中。
S5、重复上述步骤S2～S4，直到加料罐6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。
在一种优选实施例的整个实验过程中，通过高速摄影机15对隔膜泵10进行拍摄，记录颗粒进出隔膜泵10以及在隔膜泵10泵腔内的运动历程；利用计算机对高速摄影机15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(0.01S)的下落距离，之后通过计算就得目标颗粒在该处的瞬时速度的大小。具体地，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)，则该目标颗粒的在x轴方向和y轴方向的速度分别为：
由此，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。
以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送装置，其特征在于，包括试验平台、高速摄影机(15)和计算机，所述试验平台包括高压水泵(1)、第一水箱(4)、第二水箱(9)、加料罐(6)、隔膜泵(10)和第三水箱(14)；所述高压水泵(1)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(14)相连，所述出水口还通过第一水管与所述第一水箱(4)的进水口相通，所述第一水箱(4)的出水口通过第二水管与所述隔膜泵(10)的左口端连通，所述隔膜泵(10)的右口端通过第三水管和第四水管分别与所述第三水箱(14)和所述出水管连通，所述第三水管上设有第四电磁阀(11)，所述第四水管上设有第五电磁阀(12)；所述第一水管上沿水流方向依次设有第一电磁阀(2)和流量计(3)；所述加料罐(6)通过输送管与所述第一水箱(4)连通，所述输送管上设有第二电磁阀(5)；所述第二水箱(9)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(8)；所述出水管上设有第六电磁阀(13)；所述高速摄影机(15)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(10)以及在所述隔膜泵(10)泵腔内的运动历程；所述计算机分别与所述第一电磁阀(2)、第二电磁阀(5)、第三电磁阀(8)、第四电磁阀(11)、第五电磁阀(12)和第六电磁阀(13)相连接，通过对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(15)相连接，以对所述高速摄影机(15)获取的图像进行处理，最终得到颗粒的运动速度和轨迹；所述第二水管上且于所述第一水箱(4)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(7)，所述压力计(7)与所述计算机相连接，所述计算机用于对所述压力计(7)进行数据采集和数据处理，从而得到管道中的压力脉动值；所述隔膜泵(10)包括球状外壳(10.1)和纵向设置在所述球状外壳(10.1)内的隔膜片(10.2)，所述隔膜片(10.2)将所述球状外壳(10.1)的腔室分成左右两个相互独立的腔室；所述隔膜泵(10)上安装有用于获得所述隔膜片(10.2)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。
2.一种高压水驱动隔膜泵固液两相流输送方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的输送装置，所述输送方法包括如下步骤：
S1、将高压水泵(1)打开，使第一至第五水管中以及隔膜泵(10)的腔体中均充满流体；
S2、将第一电磁阀(2)、第三电磁阀(8)、第四电磁阀(11)和第五电磁阀(12)关闭，并将第六电磁阀(13)打开；向加料罐(6)中添加粗颗粒，并通过控制第二电磁阀(5)的开关时间改变所述隔膜泵(10)输入流体的颗粒浓度；
S3、待颗粒浓度稳定后，关闭所述第二电磁阀(5)和所述第六电磁阀(13)，打开所述第一电磁阀(2)和所述第四电磁阀(11)；此时，含粗颗粒固液两相流注入所述隔膜泵(10)的左腔室，使得所述隔膜泵(10)内的隔膜片(10.2)向右形变，所述隔膜泵(10)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(14)；
S4、关闭所述第一电磁阀(2)和所述第四电磁阀(11)，打开所述第三电磁阀(8)和所述第五电磁阀(12)；此时，高压水注入所述隔膜泵(10)的右腔室，所述隔膜片(10.2)向左形变，含粗颗粒固液两相流从隔膜泵(10)的左腔室排出，排入第二水箱(9)中；
S5、重复上述步骤S2~S4，直到所述加料罐(6)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。
3.根据权利要求2所述的高压水驱动隔膜泵固液两相流输送方法，其特征在于，高速摄影机(15)在实验过程中对所述隔膜泵(10)进行拍摄，记录颗粒进出所述隔膜泵(10)以及在所述隔膜泵(10)泵腔内的运动历程；利用计算机对所述高速摄影机(15)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。
4.根据权利要求3所述的高压水驱动隔膜泵固液两相流输送方法，其特征在于，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），则所述目标颗粒在x轴方向和y轴方向的速度分别为：
1）；
2）。
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