【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流体力学实验装置，具体为一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置。
技术介绍
1、随着陆地资源的不断枯竭，以及新能源等新兴行业对稀有金属的巨大需求，深海矿产资源的合理开发是未来推动民生、资源、科技、经济可持续发展的必然选择。目前，深海矿产资源开发还处于海上试验阶段，在向商业化迈进的过程中，存在着诸多机遇与挑战。在诸多挑战当中，深海采矿羽状流的产生、扩散、沉积机理研究是深海采矿环境问题的关键。
2、因此，羽状流的研究是深海采矿从实验走向商业化的必由之路，谁先掌握了深海采矿羽状流的产生、扩散、沉积机理也就把握住了深海采矿商业化的先机。而目前还很少有专门针对深海采矿车履带、采集头以及沉积物回排羽状流的实验设备。申请号为202221249879.x的专利公开了一种模拟深海采矿环境影响干扰海底生物的实验装置，但是，存在扰动模拟形式单一，且不涉及实验用水循环、沉积物定量排放控制的细节方案的缺点。
技术实现思路
1、专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种节水、准确度高、流速可控的模拟深海采矿多工况羽流的实验装置。
2、技术方案：本专利技术所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，包括透明的实验水池、循环水池、沉积物物料池、摄像机组和服务器；循环水池分别与实验水池、沉积物物料池相连，实验水池用于非静水实验过程中的水循环利用和流速控制，沉积物物料池用于向循环水池中泵送一定流速和浊度的沉积物；摄像机组设置在循环水池外侧周向；摄像机组与服
3、进一步地，实验水池包括钢化玻璃外壳，钢化玻璃外壳内的棱上设置有刻度的加固框架；钢化玻璃外壳的顶部设置仪器布放网格板；钢化玻璃外壳的外侧设置电源接口、信息集成传输接口，内侧设置可移动水下设备布放杆、能够改变位置的可拆卸底板、进水水流调节器。带刻度尺的加固框架一方面起到对钢化玻璃外壳的紧固、加强作用，另一方面提供长度信息，便于摄像机组直接捕捉到羽状流产生、扩散、沉降过程的空间距离信息。
4、进一步地，可移动水下设备布放杆包括支架杆、吸盘，支架杆的两端通过吸盘与钢化玻璃外壳内壁紧贴或分离，支架杆能够与采矿车履带、采集头相连。
5、进一步地，可拆卸底板包括底板主体、提拉环，提拉环与卷扬机相连，提拉环能够带动底板主体改变位置、倾斜角度来回收沉积物。可通过提拉环配合缆绳和卷扬机提升和布放，一方面可以通过改变底板主体的形状、布置模拟不同的海底地势，另一方面可以通过提升可拆卸底板的方式方便沉积物的布置和回收。
6、进一步地，进水水流调节器包括滑卡、滑槽、水管固定环、紧固螺栓，滑卡设置在钢化玻璃外壳的拐角附近，滑槽与滑卡活动连接或通过紧固螺栓固定，水管固定环与滑槽固定连接，紧固螺栓的密度小于水的密度，以实现两种水流调节方式，使进水水流紧贴实验水池的侧壁流动，降低对沉积物的扰动；调节方式一在于使紧固螺栓松弛，滑槽沿滑卡上下滑动，始终保持进水水管浮于水面，以降低进水水流对沉积物的扰动；调节方式二在于调节滑槽至预设位置，调节紧固螺栓紧固滑槽，使进水水管在固定位置紧贴实验水池的侧壁输水，恒定流速，降低进水水流对沉积物的扰动；出水口设置在实验水池底部，与可调速水泵连接，排出水流，配合控制实验水池内水流的流速。
7、进一步地，循环水池包括水箱外壳，水箱外壳内的中上部设置滤网，水箱外壳沿着滤网的上下分别设置入水口、出水孔。滤网可过滤沉积物，使循环水箱底部水流洁净，避免循环过程中水流中携带的沉积物对实验产生干扰。
8、进一步地，入水口通过管缆、可调速水泵、流通式流量计与实验水池上的出水口相连，出水孔通过可调速水泵、流通式流量计、管缆与实验水池的进水水流调节器相连。可调速水泵将实验水池的水流泵出，通过流通式流量计观测流量，并控制可调速水泵调节泵出速度。其中通过对两可调速水泵的泵速调节可调节实验水池内部的水流流速，并保证水流的洁净循环，在节约用水的同时保证了实验的准确性和流速变量的可调、可控性。
9、为了使沉积物物料在整个实验过程中均保持均匀喷出，沉积物物料池包括物料池外壳，物料池外壳能够开启或闭合；物料池外壳内部设置物料搅拌器，外表面上设置接电插孔；物料池外壳的顶部设置沉积物出料口，底部设置沉积物进料口。当进行试验搅拌沉积物物料时，关闭顶盖，防止沉积物物料飞溅，当需要进行物料替换时可打开顶盖进行替换作业。由接电插孔33连接电源供电，驱动电机322带动搅拌叶片321转动以防止沉积物沉积，保证沉积物悬浊液在实验过程中始终均匀。
10、进一步地，物料搅拌器由搅拌叶片、电机构成，螺栓连接在物料池外壳底部，以方便沉积物物料池的清洗和沉积物物料的更换。
11、进一步地，沉积物物料池通过可调速水泵、流通式流量计、流通式浊度计、三通电磁阀、管缆与实验水池相连。在进行沉积物回排的羽状流实验初始阶段使三通电磁阀联通沉积物出料口、沉积物进料口，打开可调速水泵、观测流通式流量计数据、配合调节使沉积物泵速到达预计泵速，再观测流通式浊度计沉积物浊液浊度值是否平稳，当浊度值平稳后，调节三通电磁阀联通沉积物出料口和可替换柔性喷头，稳定喷出既定流速和浊度的沉积物悬浊液，以避免初始阶段流速、浊度不稳定的沉积物悬浊液泵入实验水池造成实验结果不准确。
12、进一步地，伸缩浊度计包括浊度传感器、第一伸缩杆、第二伸缩杆、固定柄；第二伸缩杆的一端连接固定柄，另一端与第一伸缩杆嵌套连接，第一伸缩杆能够沿着第二伸缩杆伸缩，调节任意值长度，以实现伸缩浊度计在实验水池内的灵活布置；第一伸缩杆与浊度传感器相连，浊度传感器与服务器相连。
13、进一步地，固定柄为十字形结构，与第二伸缩杆固定连接，方便与实验水池的顶部仪器布放网格板通过轧带等灵活固定布置。伸缩浊度计的浊度传感器、第一伸缩杆、第二伸缩杆尽量直径小、刚度大，以尽量减小杆件对水流的影响。
14、进一步地，可替换柔性喷头仅在模拟沉积物回排的羽状流实验中涉及，包括连接法兰、柔性管、柔性控制杆、喷嘴、替换法兰、替换螺栓。连接法兰用于与实验固定杆连接，使得可替换柔性喷头按需布放于实验水池内。柔性管由波纹管构成，可在柔性控制杆的控制下伸缩、转动。柔性控制杆为柔性材料，可在控制器驱动下伸缩、转动，以带动柔性管运动，实现不同深度、不同方向的沉积物喷泵。喷嘴由替换法兰和替换螺栓与柔性管连接，且可通过替换法兰和替换螺栓替换不同口径、形状喷嘴进行变量实验。
15、工作原理：基于压强原理，设计了可移动水下设备布放杆部件，通过调节布放杆布放高度，对可移动水下设备提供定量的压力。基于浮力原理，设计了自主调节进水水流的进水水流调节器部件，在水流浮力作用下进水水流调节器可自主保持在水面处，较小水流激起的沉积物扰动。基于质量守恒原理，设计了流速可控的水循环系统、沉积物喷泵系统，通过流量计、浊度计的配合水泵控制进出口流速，以模拟实际工程中的流动。
16、有益效果：本专利技术和现有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：包括透明的实验水池(1)、循环水池(2)、沉积物物料池(3)、摄像机组(4)和服务器(5)；所述循环水池(2)分别与实验水池(1)、沉积物物料池(3)相连，所述实验水池(1)用于非静水实验过程中的水循环利用和流速控制，所述沉积物物料池(3)用于向循环水池(2)中泵送一定流速和浊度的沉积物；所述摄像机组(4)设置在循环水池(2)外侧周向；所述摄像机组(4)与服务器(5)相连，所述服务器(5)与显示器(7)相连；所述实验水池(1)内设置可替换柔性喷头(8)、伸缩浊度计(10)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述实验水池(1)包括钢化玻璃外壳(11)，所述钢化玻璃外壳(11)内的棱上设置有刻度的加固框架(12)；所述钢化玻璃外壳(11)的顶部设置仪器布放网格板(13)；所述钢化玻璃外壳(11)的外侧设置电源接口(14)、信息集成传输接口(15)，内侧设置可移动水下设备布放杆(16)、能够改变位置的可拆卸底板(17)、进水水流调节器(18)。
3.根据权利要求2所述
4.根据权利要求2所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述可拆卸底板(17)包括底板主体(171)、提拉环(172)，所述提拉环(172)与卷扬机相连，所述提拉环(172)能够带动底板主体(171)改变位置、倾斜角度来回收沉积物。
5.根据权利要求2所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述进水水流调节器(18)包括滑卡(181)、滑槽(182)、水管固定环(183)、紧固螺栓(184)，所述滑卡(181)设置在钢化玻璃外壳(11)的拐角附近，所述滑槽(182)与滑卡(181)活动连接或通过紧固螺栓(184)固定，所述水管固定环(183)与滑槽(182)固定连接，所述紧固螺栓(184)的密度小于水的密度。
6.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述循环水池(2)包括水箱外壳(21)，所述水箱外壳(21)内的中上部设置滤网(22)，所述水箱外壳(21)沿着滤网(22)的上下分别设置入水口(23)、出水孔(24)。
7.根据权利要求6所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述入水口(23)通过管缆、可调速水泵(6)、流通式流量计(71)与实验水池(1)上的出水口(19)相连，所述出水孔(24)通过可调速水泵(6)、流通式流量计(71)、管缆与实验水池(1)的进水水流调节器(18)相连。
8.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述沉积物物料池(3)包括物料池外壳(31)，所述物料池外壳(31)能够开启或闭合；所述物料池外壳(31)内部设置物料搅拌器(32)，外表面上设置接电插孔(33)；所述物料池外壳(31)的顶部设置沉积物出料口(34)，底部设置沉积物进料口(35)。
9.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述沉积物物料池(3)通过可调速水泵(6)、流通式流量计(71)、流通式浊度计(72)、三通电磁阀(9)、管缆与实验水池(1)相连。
10.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述伸缩浊度计(10)包括浊度传感器(101)、第一伸缩杆(102)、第二伸缩杆(103)、固定柄(104)；所述第二伸缩杆(103)的一端连接固定柄(104)，另一端与第一伸缩杆(102)嵌套连接，所述第一伸缩杆(102)能够沿着第二伸缩杆(103)伸缩；所述第一伸缩杆(102)与浊度传感器(101)相连，所述浊度传感器(101)与服务器(5)相连。
...【技术特征摘要】
1.一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：包括透明的实验水池(1)、循环水池(2)、沉积物物料池(3)、摄像机组(4)和服务器(5)；所述循环水池(2)分别与实验水池(1)、沉积物物料池(3)相连，所述实验水池(1)用于非静水实验过程中的水循环利用和流速控制，所述沉积物物料池(3)用于向循环水池(2)中泵送一定流速和浊度的沉积物；所述摄像机组(4)设置在循环水池(2)外侧周向；所述摄像机组(4)与服务器(5)相连，所述服务器(5)与显示器(7)相连；所述实验水池(1)内设置可替换柔性喷头(8)、伸缩浊度计(10)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述实验水池(1)包括钢化玻璃外壳(11)，所述钢化玻璃外壳(11)内的棱上设置有刻度的加固框架(12)；所述钢化玻璃外壳(11)的顶部设置仪器布放网格板(13)；所述钢化玻璃外壳(11)的外侧设置电源接口(14)、信息集成传输接口(15)，内侧设置可移动水下设备布放杆(16)、能够改变位置的可拆卸底板(17)、进水水流调节器(18)。
3.根据权利要求2所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述可移动水下设备布放杆(16)包括支架杆(161)、吸盘(162)，所述支架杆(161)的两端通过吸盘(162)与钢化玻璃外壳(11)内壁紧贴或分离，所述支架杆(161)能够与采矿车履带(163)、采集头(164)相连。
4.根据权利要求2所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述可拆卸底板(17)包括底板主体(171)、提拉环(172)，所述提拉环(172)与卷扬机相连，所述提拉环(172)能够带动底板主体(171)改变位置、倾斜角度来回收沉积物。
5.根据权利要求2所述的一种模拟深海采矿多工况羽流的实验装置，其特征在于：所述进水水流调节器(18)包括滑卡(181)、滑槽(182)、水管固定环(183)、紧固螺栓(184)，所述滑卡(181)设置在钢化玻...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪智超，李秀，徐立新，刘亚娇，韩超帅，赵玫佳，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。