徐進(jìn)超　丁磊　羅勇

摘要：為進(jìn)一步探索氣動沖淤的作用機(jī)理和在工程實踐中的應(yīng)用，進(jìn)行了氣動沖淤數(shù)值仿真模型研究。采用立面二維水一沙一氣三相仿真模型，對氣動沖淤中氣體及泥沙運(yùn)動特性進(jìn)行了探索，并對比了氣動沖淤與水射流沖刷的優(yōu)缺點。結(jié)果表明：①采用氣動沖淤時，氣流沖擊到泥沙后向上運(yùn)動，同時帶動泥沙向上運(yùn)動，隨之被水流帶走。相同條件下，水射流的沖刷范圍大，但氣動沖淤的沖沙效率更高，采用氣動沖淤能達(dá)到較好的清淤效果。②氣動沖淤中，氣體流速越大，沖刷效果越明顯，沖沙率隨氣體弗勞德數(shù)的增大呈線性增大趨勢。

關(guān)鍵詞：氣動沖淤：泥沙：數(shù)值仿真模型：氣體弗勞德數(shù)

中圖分類號：TV691

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.007

氣動沖淤的設(shè)想始于20世紀(jì)70年代，最初應(yīng)用于河口懸沙淤積試驗。由于用機(jī)械等辦法難以在潮水箱內(nèi)產(chǎn)生渾水，因此對潮水箱進(jìn)行了改造，用通氣管通至潮水箱底，在管道上密布小孔，產(chǎn)生上升氣流，改從潮水箱抽氣為向潮水箱壓氣，一氣兩用，成功地進(jìn)行了潮汐河口懸沙淤積試驗[1]。氣動沖淤作為一項新技術(shù)，沖沙效率較高，且更為經(jīng)濟(jì)、清潔，對常規(guī)水力沖刷方式中難以起動的細(xì)顆粒泥沙，沖淤效果顯著，受到了科技界的關(guān)注[2]。

氣動沖淤過程是向河底加入空氣而形成氣、水、沙的聯(lián)合運(yùn)動過程，是介于空氣動力學(xué)、水動力學(xué)和固體力學(xué)三者的邊緣學(xué)科，因其涉及學(xué)科面廣、影響因素較多，故研究難度較大。羅肇森等[1]采用比尺為1：1的物理模型，對氣動沖淤中的氣泡運(yùn)動特性、沖刷效率及沖淤管道的布置方式等進(jìn)行了試驗研究：羅勇等[3-4]結(jié)合我國黃河流域、河口等區(qū)域泥沙淤積量大、小粒徑泥沙清淤困難的特點，對氣動沖淤在工程實踐中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。本文采用數(shù)值仿真模型對物理模型試驗進(jìn)行研究，以期對氣動沖淤機(jī)理研究和工程應(yīng)用起到參考和借鑒作用。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

基于Fluent軟件，選用歐拉多相流法[5]對氣動沖淤機(jī)理進(jìn)行分析。水、沙、氣相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)，各組分的體積分?jǐn)?shù)用α表示。體積分?jǐn)?shù)代表了每相所占據(jù)的空間，每一相獨(dú)自地滿足質(zhì)量和動量

Chen X等[5.10]利用該模型，對凈淤積、凈沖刷和平衡輸沙情形下的流速和含沙量做了大量驗證工作，結(jié)果表明計算值與實測值有較好的一致性。

1.3 研究方案

考慮到計算機(jī)硬件條件及模擬精度的要求，采用立面二維模型研究氣動沖淤效果。選取長1 m、深0.3m的一個矩形渠道，渠道中間有一個高0.2 m、寬0.4 m的沉沙池，沉沙池底部的中間設(shè)置兩個高0.002 m的氣流速度進(jìn)口，進(jìn)口的法向方向與渠道方向平行，見圖1。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分不同區(qū)域采用不同尺寸。其中：沉沙池中采用0.001 m的網(wǎng)格，矩形渠道中最大網(wǎng)格為0.005 m，見圖2。

初始狀態(tài)下，沉沙池中均為泥沙，渠道中為水，見圖3。待水流計算穩(wěn)定后，速度進(jìn)口2和速度進(jìn)口3開始充氣并計算。泥沙選用貴港樞紐附近的泥沙，中值粒徑dso= 0.017 mm;泥沙密度為2 500 kg/m。泥沙休止角初步選定為300，根據(jù)經(jīng)驗，泥沙的孔隙率選為60%。

計算T況中，M-I為水力噴射沖沙T況，M-2 -M-IO為氣動沖淤T況。其中：M-I的水流流速和M-2 T況中的氣體流速均為5 m/s，M-3、M-4 T況的氣體流速分別為10、15 m/s，M-5 - M-7 T況速度進(jìn)口1的水流速度為0.3 m/s，M-8- M-IO T況速度進(jìn)口的水流速度為0.1 m/s，見表1。

紊流模型采用Standard k-ε：壓力速度耦合迭代采用SIMPLE算法求解;動量、湍流黏度、湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，體積分?jǐn)?shù)用一階迎風(fēng)格式離散。

2 氣動沖淤機(jī)理分析

2.1 水射流和氣動沖淤對比

對比T況M一1及M-2模擬結(jié)果可知，在相同的沖刷速度（5 m/s）下，采用水力噴射沖沙時，水射流附近沙粒最大速度為2.1 m/s，由于流體動量和密度較大，因此泥沙運(yùn)動方向與孔口射流方向保持一致，沖擊到沉沙池壁面后，左半部分泥沙在水流的作用下在沉沙池內(nèi)形成縱向環(huán)流，靠近壁面的泥沙由射流帶向下游。采用氣動沖淤法時，氣流沖擊到泥沙后，受阻力和氣體浮力的影響，氣流擾動沉沙池內(nèi)泥沙并使其向上運(yùn)動，沙粒相向上的最大速度為2.3 m/s，揚(yáng)動的泥沙到達(dá)沉沙池上方后被水流帶向下游。圖4-圖6對比了兩種沖沙方式在不同時間泥沙的運(yùn)行特性。

（l）二者均可揚(yáng)動泥沙并將其帶人下游。相對于氣動沖淤，水力噴射沖沙的沖沙范圍更大，在原型中可將其布置在河道的靠岸側(cè)。采用氣動沖淤時，氣流接觸到泥沙后即改變其運(yùn)動方向，使其向上運(yùn)動，其影響范圍僅在出氣孔上方。

（2）因水體的密度較大，故射流在豎直方向擴(kuò)散較慢，相對于氣動沖淤，泥沙不易揚(yáng)動或揚(yáng)動的泥沙較易沉入水下：氣動沖淤中，在氣泡浮力的作用下，泥沙揚(yáng)動明顯，且氣泡最終浮出水面，泥沙可被帶至較高處，在相同的渠道流速下，揚(yáng)動的泥沙能被輸送到下游更遠(yuǎn)處。

（3）對比二者的沖沙效果可知，在矩形渠道水流速度為0.5 m/s、采用5m/s的射流流速時，7s后沉沙池內(nèi)還有部分泥沙存留，20 s時仍有部分泥沙存在于水射流產(chǎn)生的立軸環(huán)流里：若采用氣動沖淤，則盡管氣泡的作用范圍僅在噴氣管上方，但其上升的氣泡流帶動周圍的水體也向上運(yùn)動，氣泡流附近的泥沙上升速度較大，7s內(nèi)沉沙池中的泥沙已絕大部分被沖走。

羅勇等[3]的研究表明，由于排氣形成上升流，水體流速增大，排氣管處的流速可比無壓縮空氣溢出時增大5-10倍。氣動沖淤與水力噴射沖沙的對比見表2，可以看出氣動沖淤法擾動泥沙強(qiáng)烈，具有更大的潛力。

2.2 氣流運(yùn)動特性分析

為進(jìn)一步分析氣流特性對泥沙的影響，對M-2-M-4 工況3種不同沖沙氣流速度的氣流場進(jìn)行了分析，見圖7、圖8（Vait為氣體流速，Vater為水流速度）。由各時刻的含氣量Cait（沉沙池中氣體體積與沉沙池體積的比值）可知：

（1）在沖沙的初始時刻，氣流從噴口垂直射向沙床，在沙床的阻力作用下水平向速度迅速下降，在浮力的作用下快速浮出水面。氣流在向上運(yùn)動的過程中受沙床阻力的影響，形成向上運(yùn)動的挾沙氣團(tuán)，揚(yáng)動沉沙池中泥沙。

（2）在沖刷過程中，氣流在向上的過程中會出現(xiàn)左右搖晃的流態(tài)，加大了沉沙池中流態(tài)的紊亂程度，沖沙效率較高。

（3）在沖沙過程中，各工況下沉沙池中含氣量隨時間上下波動，總體上隨氣流速度的增大略有增大，水流速度為0.1 m/s、氣體速度分別為5、10、15 m/s時，最大含氣量Cait分別為0. 20、0.26、0.30;水流流速為0.5 m/s，氣體速度分別為5、10、15 m/s時，最大含氣量Cait分別為0.22、0.31、0.32。相同氣體速度下，水流流速越大，含氣量越大，但增幅很小，如氣流速度為15 m/s、水流速度為0.1 m/s時含氣量為0.30，僅比氣流速度為15 m/s、水流流速為0.5 m/s時的最大含氣量小0.02。

2.3 泥沙運(yùn)動特性分析式中：g為重力加速度;h為氣孔特征高度，本文取0.002 m。

沖沙率隨氣體弗勞德數(shù)的變化情況見圖9。

工況M-2沉沙池泥沙體積及質(zhì)量隨沖淤時間的變化見圖10，M-2 - M-4工況沉沙池中泥沙質(zhì)量隨沖沙時間的變化見表3.由圖10及表3可知：

（1）在各沖刷流速下，靠近氣孔及氣孔上方的泥沙在氣流的作用下迅速向上揚(yáng)動并被水流帶向下游。由于附近泥沙的填補(bǔ)，沉沙池內(nèi)沙床床面基本上保持整體下降趨勢，直至被全部沖走。

（2）在矩形渠道流速一定的條件下，氣體流速越大，沖沙效果越明顯。氣流以5 m/s的流速運(yùn)行7s時，沉沙池內(nèi)絕大部分泥沙被沖走;氣流速度增至10m/s時，5.5 s即可將沉沙池內(nèi)泥沙基本沖走：氣流速度增至15 m/s后.4.5 s即可將泥沙基本沖走。3結(jié)論

（1）采用氣動沖淤時，氣流沖擊到泥沙后，受到泥沙和水體阻力以及浮力的共同作用，氣體運(yùn)動方向向上，同時攪動沉沙池內(nèi)泥沙，帶動泥沙向上運(yùn)動，隨之泥沙被水流帶走。對比水射流和氣體射流的沖沙效果可知，相同條件下，水射流的沖刷范圍大，但氣動沖淤的沖沙效率更高，采用氣動沖淤能達(dá)到較好的清淤效果。

（2）氣動沖淤中，氣體流速越大，沖刷效果越明顯。其沖沙率隨氣體弗勞德數(shù)的增長呈線性增大趨勢。

（3）氣動沖淤影響因素較多，水、沙、氣三相之間相互作用較為復(fù)雜，因此氣體在高含沙水流中的運(yùn)動特性、氣動沖淤管道在實際工程中的布置方式等還有待進(jìn)一步研究。

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