本发明属于测量领域，具体涉及一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置和分析方法。
背景技术：
1、液固流化床在化工、冶金及环保领域广泛应用，因其传质效率高且操作简便，具有重要的工业价值。然而，现有技术在测量流化床中颗粒体积分数和运动波传播速度方面存在诸多挑战。实验装置往往设计复杂，操作难度大，且无法适应多变的实验条件。这些问题在深海矿物开采等复杂环境中尤为突出，因垂直运输系统的稳定性和效率要求极高，对流化床的精确测量和控制提出了更高的要求。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置和分析方法，通过结合流量计、标尺和ccd摄像机，利用视频分析技术，实现了对流化床系统中颗粒运动行为的精确监测和分析，提高了液固流化床系统的运行稳定性和效率，还为深海矿物开采等复杂工艺提供了重要的技术支持和应用价值，满足了工业生产中对高效、稳定流化床系统的需求。
2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
3、一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，包括管道系统、颗粒注入和收集系统、测量系统；所述管道系统包括垂直透明立管，用于容纳并支持颗粒床和流体的流动，便于观测颗粒在不同流速下的流动行为；所述颗粒注入和收集系统包括颗粒入口、颗粒网兜和颗粒料斗，实验开始之前，将颗粒从垂直透明立管的颗粒入口注入至垂直透明立管的底部堆积，形成初始颗粒床；流化后的颗粒群经循环水的循环至颗粒料斗进行收集，水直接通过颗粒料斗的小孔进入循环，确保系统的稳定运行；所述测量系统包括流量计、标尺和ccd摄像机，利用视频分析技术，实现对流化床系统中颗粒运动行为的精确监测和分析。
4、进一步地，所述垂直透明立管的内径为100 mm，高度为3 m；所述垂直透明立管上部设有颗粒入口和颗粒网兜。
5、进一步地，所述管道系统包括变频泵，设置在颗粒料斗和流量计之间，其有三叶片叶轮，吸入口内径为100 mm；通过频率驱动器控制泵速，以调节系统中的水流速度，确保颗粒能够均匀流化。
6、进一步地，所述颗粒网兜安装在变频泵的出口处，内含一束小管，用于抑制流动旋转并提供钢丝网格以支撑颗粒床，确保水流的均匀性。
7、进一步地，所述流量计安装在变频泵的入口的水平管段中，用于实时监测流体流量；所述ccd摄像机用于记录流化的状态，结合视频分析软件，实现颗粒运动行为的监测和分析；所述标尺贴在所述垂直透明立管上，结合ccd摄像机拍摄记录记录颗粒群流化的高度。
8、进一步地，所述标尺设置在颗粒入口和颗粒网兜之间。
9、本发明还提供一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的分析方法，包括如下步骤：
10、步骤1、填充颗粒，在垂直透明立管底部的颗粒网兜上均匀填充固体颗粒群；记录初始颗粒床高度，确保颗粒分布均匀；
11、步骤2、启动变频泵，逐渐提高泵速，缓慢增加流体流速至颗粒开始流化；记录初始流量和压差数据，确保流化状态稳定；
12、步骤3、设定流速阶梯，根据实验需要，将流速从0到最大流速分成10至15个阶梯；每个流速保持若干分钟，以确保系统达到稳定状态；记录每个流速下的流量和压差；
13、步骤4、测量颗粒床高度，在每个流速下，通过ccd摄像机记录颗粒床的高度，使用视频分析软件计算每个流速下的平均颗粒床高度hi；
14、步骤5、记录颗粒运动状态，利用ccd摄像机的高帧率记录颗粒在流化床中的运动状态；结合标尺精确测量波前在不同时间点的位移距离 δz；
15、步骤6、分析数据，使用视频分析软件对ccd摄像机捕捉到的颗粒运动状态进行分析，计算颗粒体积分数和运动波传播速度；通过计算初始颗粒体积分数和动态颗粒体积分数，了解不同流速下的颗粒分布情况。
16、进一步地，所述步骤6中，颗粒体积分数测量包括：
17、步骤6.1、计算初始颗粒体积分数：
18、；
19、其中，为初始颗粒体积分数，为颗粒群的总质量，颗粒的密度，d为管道的直径，是初始颗粒床高度；
20、步骤6.2、计算动态颗粒体积分数：
21、基于初始颗粒体积分数，计算颗粒群流化时体积分数的变化：
22、；
23、其中，为在某一时刻颗粒床高度为 hi时颗粒体积分数，为初始颗粒体积分数，为初始颗粒床高度，hi为当前的颗粒床高度；
24、步骤6.3、测量颗粒体积分数。
25、进一步地，所述步骤6.3包括：
26、步骤6.3.1 记录波前位置：
27、通过ccd摄像机捕捉波前在不同时间点的位置，利用透明垂直立管上的标尺测量波前传播的距离δz；记录波前从一个位置传播到另一个位置所需的帧数n；
28、步骤6.3.2 计算运动波传播速度：
29、运动波传播速度计算方式如下：
30、；
31、其中，表示运动波速度，为波前传播的距离，为波前传播该距离所需的帧数，60是将帧数转换为秒的转换因子。
32、有益效果：
33、本发明通过结合高精度流量计、标尺和ccd视频摄像系统，实现对液固流化床中颗粒运动行为的实时监测和精确分析，不仅提高了测量的精度和可靠性，而且简化了实验装置的设计和操作流程，显著提升了系统的实用性，为相关领域提供重要的技术支持和应用价值。本发明具备测量精度高、操作简便和适用范围广等优点，适用于液固流化床系统的优化设计和过程控制。本发明通过先进的测量和分析手段，有效解决了现有技术中测量精度低、实验装置复杂和操作难度大的问题。
1.一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，其特征在于，包括管道系统、颗粒注入和收集系统、测量系统；所述管道系统包括垂直透明立管，用于容纳并支持颗粒床和流体的流动，便于观测颗粒在不同流速下的流动行为；所述颗粒注入和收集系统包括颗粒入口、颗粒网兜和颗粒料斗，实验开始之前，将颗粒从垂直透明立管的颗粒入口注入至垂直透明立管的底部堆积，形成初始颗粒床；流化后的颗粒群经循环水的循环至颗粒料斗进行收集，水直接通过颗粒料斗的小孔进入循环，确保系统的稳定运行；所述测量系统包括流量计、标尺和ccd摄像机，利用视频分析技术，实现对流化床系统中颗粒运动行为的精确监测和分析。
2.根据权利要求1所述的一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，其特征在于，所述垂直透明立管的内径为100mm，高度为3m；所述垂直透明立管上部设有颗粒入口和颗粒网兜。
3.根据权利要求1所述的一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，其特征在于，所述管道系统包括变频泵，设置在颗粒料斗和流量计之间，其有三叶片叶轮，吸入口内径为100mm；通过频率驱动器控制泵速，以调节系统中的水流速度，确保颗粒能够均匀流化。
4.根据权利要求3所述的一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，其特征在于，所述颗粒网兜安装在变频泵的出口处，内含一束小管，用于抑制流动旋转并提供钢丝网格以支撑颗粒床，确保水流的均匀性。
5.根据权利要求1所述的一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，其特征在于，所述流量计安装在变频泵的入口的水平管段中，用于实时监测流体流量；所述ccd摄像机用于记录流化的状态，结合视频分析软件，实现颗粒运动行为的监测和分析；所述标尺贴在所述垂直透明立管上，结合ccd摄像机拍摄记录记录颗粒群流化的高度。
6.根据权利要求5所述的一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的实验装置，其特征在于，所述标尺设置在颗粒入口和颗粒网兜之间。
7.一种测量流化床中颗粒体积分数和运动波速度的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7的分析方法，其特征在于，所述步骤6中，颗粒体积分数测量包括：
9.根据权利要求7的分析方法，其特征在于，所述步骤6.3包括：
