【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及深海采矿模型试验装置及，具体涉及一种深海多金属结核射流采集模型试验装置及方法。
技术介绍
1、随着人口与经济的增长以及工业化进程不断深入，对于矿产资源的需求量不断增加，陆地矿产资源的开采难度也在不断加大。相比之下，深海矿产资源丰富度高、规模大，可以为人类提供长期、稳定的矿产供应，而多金属结核是目前已知储量最为丰富的海底矿产资源，也是最早引起全球范围的关注与科学研究的深海矿产种类。但深海矿产资源的开采具有较高的技术门槛和开发成本，需要在技术进展和可持续性等方面相应配合，目前，我国深海多金属结核采集技术还不够成熟，仍面临诸多挑战。
2、深海沉积物物理力学性质特殊、动态演变机理复杂，对稀软底质的研究不足，会导致采集头的参数结构匹配不合理，采集效率低下。同时，海洋生态环境极其脆弱，当前的深海采矿技术，大规模开采必将对海洋生态环境造成重大影响。亟需考虑多金属结核的表面积、位置、大小，明晰射流流场的分布、射流对沉积物的扰动及环境变化以及结核的起动提升规律，需要进行试验对整个采集过程进行研究。
3、深海多金属结核射流采集模型试验装置的设计需要模拟深海稀软底质以及采集头的结构与参数，但是当前的深海多金属结核双排射流采集模型试验装置较少，且存在采集头结构以及多参数无法同时自由调整、实验铺设模拟土工作量大、流场的速度压力分布无法精确采集数据、难以精确控制指定区域的行进采集、缺少对抽吸作用以及射流作用对采集率的量化对比等问题。
技术实现思路
1、为了解决上述存在的问
2、为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
3、一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，包括模型试验架、流量控制系统、射流采集系统、移动控制系统、智能监测系统、水槽、沉积物模拟土槽。
4、所述模型试验架包括移动支撑框架、6个喷嘴离底高度调节支架、横向支架，pvc水管穿过喷嘴离底高度调节支架与喷嘴相连，6个喷嘴离底高度调节支架通过卡槽与横向支架相连，卡槽焊接在横向固定架，每个高度调节支架上安装控制阀，两侧固定架上部焊接钢板，收集箱放置在钢板上，整体框架采用铝合金型材。
5、所述流量控制系统包括储水箱、抽水泵、电磁阀、流量计、流量控制台、分水口，所述分水口安装在流量控制系统与射流采集系统相接处，能为每个喷嘴提供分流量，所述流量控制台与配合电磁阀、流量计的不锈钢管路相连，不锈钢管路另一端与抽水泵相连，精确控制每个喷嘴出口的射流强度，实现定量控制切断功能及流速流量的转化，记录定量次数、定量量值及定量时间。
6、所述射流采集系统包括水管、喷嘴、导流板、集矿罩、抽吸管道、抽吸泵、收集箱，所述水管为pvc材质用不锈钢框架支撑调节，穿过导流板下部分别与3组双排射流喷嘴相连，导流板与集矿罩相接，抽吸管道位于集矿罩的中心设置为可压缩，抽吸管道末端为收集箱，其中喷嘴结构可更换为a型与b型，射流靶距为100-400 mm，调节角度为0-90度，收集箱安装在pvc水管支撑架上部的焊接钢板，抽吸泵放置在收集箱内为采集提供抽吸力。
7、所述移动控制系统包括移动支撑框架、滑轨、电机、智能控制设备，移动支撑框架围绕水槽，在两侧的支撑框架均设置有水平滑轨，滑轨的终端设置有限位挡块，滑轨连接电机；所述智能控制设备可控制移动射流的距离、移动速度，采集移动速度为0-3 m/s能够实现在任意位置的停止行走，配合限位挡快避免移动采集装备发生碰撞。
8、所述智能监测系统包括粒子成像测速系统、自校准孔隙水压传感器、激光测距仪，坐标尺；所述粒子成像测速系统包括高速数字摄像机、激光器、同步控制机构、图像分析软件，位于测量流场的水槽一侧；所述自校准孔隙水压传感器埋于模拟沉积物中部偏下的位置并连接数据采集仪；所述激光测距仪粘贴于钢板下部；所述坐标尺粘贴于水槽外部。
9、所述水槽尺寸为2-2.5 m × 0.4-0.6 m × 0.5-0.8 m，可承受30 mpa的射流水压，提供淹没射流的实验条件，在进行移动射流采集时铺设模拟沉积物，厚度为0.2-0.3 m；所述土槽为定点采集时使用，以减轻试验工作量，尺寸为0.4-0.6 m × 0.2-0.5 m ×0.2-0.5 m，模拟沉积物厚度与土槽上部平齐。
10、进一步的，所述坐标尺原点与水槽底部重合，设置有密度较大的网格，便于精确标记与记录，联合高速数字摄像机对结核的起动竖直位移与水平位移进行数据采集。
11、进一步的，所述喷嘴位于导流板下部，固定于伸缩杆用以调节靶距，伸缩杆沿喷嘴中心线方向调节，通过伸缩杆的调节控制靶距；喷嘴的角度调节由活动连接角度盘完成，该角度盘由树脂材料3d打印制成；喷嘴设置为可拆卸，更换为不同结构（a型或b型）。
12、进一步的，所述流量控制系统，每个喷嘴设置控制阀门可单独或同时进行射流工作，每个喷嘴可达到的最大流速为12 m/s，喷嘴直径为11-13 mm；所述输水管内径为10-14mm，壁厚为2 mm，长度为3-8 m，不影响移动支撑架从水槽的一端移动到另一端。
13、进一步的，所述导流板为具有一定弧度的曲率板，集矿罩结构可更换为五种结构：圆弧形（a罩）、斜顶立面形（b罩）、平顶立面形（c罩）、圆顶立面形（d罩）、圆顶斜面形（e罩）。
14、进一步的，所述抽吸管道直径设置为100-200 mm，抽吸速度最大可调至6 m/s，抽吸管道为可伸缩材料，与喷嘴离底高度调节支架一体化，调节采集装置离底高度为60-200mm，抽吸管道下部有一段倾斜管道，上部与收集箱相接。
15、进一步的，所述高速数字摄像机放置于测量流场的水槽一侧，高速数字摄像机进行拍摄自动跟踪，得到流场中各点的流速矢量，采集频率1500 fps,空间分辨率为1.2 mm× 1.2 mm，软件部分负责处理图像，对整个射流流场的速度分布以及流线进行反馈。
16、进一步的，所述自校准孔隙水压传感器测量射流对模拟土的冲击动压，采用自校准压力传感器避免因淹没环境以及时间导致的误差，所述激光测距仪对射流侵蚀沉积物的深度进行测量。
17、本申请还提供一种深海多金属结核射流采集模型试验方法，包括上述深海多金属结核射流采集模型试验装置，该方法包括如下步骤：
18、步骤（1）在试验进行前，进行多金属结核射流采集海底沉积物模拟设计，具体地，应该基于深海原状土的物理力学特性，根据水/土槽大小比例，确定模拟底质土体配比，根据实验确定铺设底质深度；
19、步骤（2）底质模拟完成后，对整个采集系统进行预试验，保证采集系统正常运行，防止管道出现渗漏以及实验设备无法运行的情况；
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1.一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，包括模型试验架、流量控制系统、射流采集系统、移动控制系统、智能监测系统、水槽、沉积物模拟土槽；
2.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述坐标尺原点与水槽底部重合，设置有密度较大的网格，便于精确标记与记录，联合高速数字摄像机对结核的起动竖直位移与水平位移进行数据采集。
3.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述喷嘴位于导流板下部，固定于伸缩杆用以调节靶距，伸缩杆沿喷嘴中心线方向调节，通过伸缩杆的调节控制靶距；喷嘴的角度调节由活动连接角度盘完成，该角度盘由树脂材料3D打印制成；喷嘴设置为可拆卸，更换为不同结构（A型或B型）。
4.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述流量控制系统，每个喷嘴设置控制阀门可单独或同时进行射流工作，每个喷嘴可达到的最大流速为12 m/s，喷嘴直径为11-13 mm；所述输水管内径为10-14 mm，壁厚为2 mm，长度为3-8 m，不影响移动支撑架从水
5.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述导流板为具有一定弧度的曲率板，集矿罩结构可更换为五种结构：圆弧形（A罩）、斜顶立面形（B罩）、平顶立面形（C罩）、圆顶立面形（D罩）、圆顶斜面形（E罩）。
6.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述抽吸管道直径设置为100-200 mm，抽吸速度最大可调至6 m/s，抽吸管道为可伸缩材料，与喷嘴离底高度调节支架一体化，调节采集装置离底高度为60-200 mm，抽吸管道下部有一段倾斜管道，上部与收集箱相接。
7.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述高速数字摄像机放置于测量流场的水槽一侧，高速数字摄像机进行拍摄自动跟踪，得到流场中各点的流速矢量，采集频率1500 FPS，空间分辨率为1.2 mm × 1.2 mm，软件部分负责处理图像，对整个射流流场的速度分布以及流线进行反馈。
8.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述自校准孔隙水压传感器测量射流对模拟土的冲击动压，采用自校准压力传感器避免因淹没环境以及时间导致的误差，所述激光测距仪对射流侵蚀沉积物的深度进行测量。
9.利用权利要求1-9任一项所述的深海多金属结核射流采集模型试验装置提供深海多金属结核采集的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，包括模型试验架、流量控制系统、射流采集系统、移动控制系统、智能监测系统、水槽、沉积物模拟土槽；
2.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述坐标尺原点与水槽底部重合，设置有密度较大的网格，便于精确标记与记录，联合高速数字摄像机对结核的起动竖直位移与水平位移进行数据采集。
3.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述喷嘴位于导流板下部，固定于伸缩杆用以调节靶距，伸缩杆沿喷嘴中心线方向调节，通过伸缩杆的调节控制靶距；喷嘴的角度调节由活动连接角度盘完成，该角度盘由树脂材料3d打印制成；喷嘴设置为可拆卸，更换为不同结构（a型或b型）。
4.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述流量控制系统，每个喷嘴设置控制阀门可单独或同时进行射流工作，每个喷嘴可达到的最大流速为12 m/s，喷嘴直径为11-13 mm；所述输水管内径为10-14 mm，壁厚为2 mm，长度为3-8 m，不影响移动支撑架从水槽的一端移动到另一端。
5.根据权利要求1所述的一种深海多金属结核射流采集模型试验装置，其特征在于，所述导流板为具有一定弧度的曲率板，集...
【专利技术属性】
技术研发人员：沙飞，牛红莹，陈旭光，杨凯瑞，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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