胡 東，何麗晏，林安源，庹 磊，王霞光

（湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底417000）

山塘水庫(kù)在農(nóng)業(yè)灌溉和居民日常生活中發(fā)揮著重要作用。我國(guó)大多數(shù)山塘水庫(kù)的開(kāi)挖和疏浚時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，其排灌能力受到很大影響，嚴(yán)重影響山塘水庫(kù)發(fā)揮作用。目前國(guó)內(nèi)疏浚工具較為落后，主要采用抓斗式、泵吸式、絞吸式和斗輪式等設(shè)備，這些疏浚設(shè)備往往適用于特定的疏浚介質(zhì)、特定的施工水域條件，存在功率大、能耗高、挖泥淺、挖掘硬度有限、易磨損、運(yùn)行成本高等問(wèn)題，且常使用這些機(jī)械設(shè)備易導(dǎo)致水質(zhì)惡化、環(huán)境污染［1-2］。

氣舉裝置（也稱氣力提升泵）是以壓縮空氣為工作介質(zhì)，抽吸和壓送漿體的流體輸送機(jī)械。氣舉本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已逐漸成為舉升礦漿、淤泥、石油及輸送危險(xiǎn)性液體的有效可靠工具［3］。眾多學(xué)者對(duì)氣力泵疏浚模型進(jìn)行了深入研究，取得了一系列重要研究成果［4-8］。氣力泵也可用于海底采礦、輸送危險(xiǎn)化工液體、河道清淤、污水處理以及油田開(kāi)采等各種工程實(shí)際中［9］。

現(xiàn)階段氣力提升技術(shù)多采用供沙箱供沙方式模擬疏浚過(guò)程，僅限于模擬仿真或特定工況下的實(shí)驗(yàn)，難以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。本文結(jié)合山塘水庫(kù)實(shí)際工況，擬采用槽底供沙方式，以粒徑3 mm的河沙作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別從橫向和縱向?qū)饬Ρ檬杩Ｌ匦赃M(jìn)行研究。

1 氣力提升原理及其效率模型

1.1 氣力提升原理

氣力提升系統(tǒng)物理模型如圖1所示。氣舉系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、氣舉頭和提升管組成。壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣口注入提升管，在提升管內(nèi)，氣流和液體沖擊形成許多氣泡，在浮力作用下，氣泡在上移過(guò)程中聚結(jié)并當(dāng)橫截面積幾乎等于管道直徑時(shí)，氣泡開(kāi)始破裂，大氣泡便分裂為許多個(gè)小氣泡，小氣泡在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又會(huì)重復(fù)上述過(guò)程，從而推動(dòng)流體在管道內(nèi)部上升運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液體被提升后，沉積到底部的固體顆粒受到運(yùn)動(dòng)流體的摩擦阻力（又稱為拖曳力）和自身重力作用，當(dāng)摩擦阻力大于固體顆粒的重力時(shí)，固體顆粒便被提升上來(lái)［10］。

1.2 氣力提升系統(tǒng)效率模型

基于能量守恒定律引用氣力提升效率公式［11］如式（1）所示。本文采用表觀流速計(jì)量，則式（1）可改寫(xiě)成式（2）。

式中η為提升效率；P0為大氣壓，取值101 325 Pa；g為重力加速度，取值9.8 m／s2；ζ為局部阻力系數(shù)，取值0.56；vL為運(yùn)動(dòng)黏度，取值0.906×106m2／s；ρ為水密度，取值1 000 kg／m3；ρS為河沙密度，取值2 546.15 kg／m3；D為提升管通徑，取值0.1 m；JL為液相表觀流速，m／s；JS為固向表觀流速，m／s；JG為氣體表觀流速，m／s；L1～3如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

選用與實(shí)際工程更為接近的槽內(nèi)供沙方式，即在水槽底部平鋪一定厚度的實(shí)驗(yàn)顆粒。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由供氣系統(tǒng)、氣力提升系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)以及操控系統(tǒng)組成。其中供氣系統(tǒng)由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣體流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥組成；氣力提升系統(tǒng)由氣舉頭以及提升管組成；測(cè)量系統(tǒng)由空氣流量計(jì)、取樣池以及稱量工具組成；操作系統(tǒng)由疏浚池（3.85 m×2.52 m×3 m）和移動(dòng)平臺(tái)組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合工程實(shí)際狀況，測(cè)試顆粒選用平均粒徑3 mm、密度2 546.15 kg／m3的普通河沙模擬水下疏浚。此外，為減弱空壓機(jī)輸出端氣流容易因螺桿運(yùn)動(dòng)而引起的誤差，特在氣體流量計(jì)前設(shè)置儲(chǔ)氣罐，以確保進(jìn)氣口流速穩(wěn)定。

橫向?qū)嶒?yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)空壓機(jī)，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥控制氣體流量，并且將操作平臺(tái)沿Z軸降至固定高度之后往Y軸方向勻速移動(dòng)，當(dāng)出口端開(kāi)始穩(wěn)定輸送漿體時(shí)，開(kāi)始取樣，設(shè)定取樣時(shí)間8 s。取樣結(jié)束后，分別對(duì)液相和固相進(jìn)行稱重。

縱向?qū)嶒?yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)空壓機(jī)，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥控制氣體流量，并且將操作平臺(tái)沿Z軸方向勻速下降，當(dāng)出口端開(kāi)始穩(wěn)定輸送漿體時(shí)，開(kāi)始取樣，設(shè)定取樣時(shí)間19 s。取樣結(jié)束后，分別對(duì)液相和固相進(jìn)行稱重。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于所獲濕沙含水，不能反映其真實(shí)質(zhì)量，對(duì)一定量河沙在浸水和未浸水兩種狀態(tài)下分別進(jìn)行測(cè)量，得到干濕沙質(zhì)量擬合曲線如圖3所示。

圖3 干?濕沙質(zhì)量對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

經(jīng)計(jì)算分析可知，河沙固體顆粒的線性擬合方程為：

式中x和y分別為濕沙和干沙質(zhì)量，kg。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 橫向取樣結(jié)果分析（Y軸）

采用槽底鋪沙方式，沙層厚度300 mm，L1＝3.480 m，L3分別選擇1.044 6 m，1.566 m和2.088 m，對(duì)應(yīng)的浸入率γ分別為0.30，0.45和0.60。圖4為3種浸入率下管道出口端液相表觀流速、固相表觀流速以及提升總效率隨氣體表觀流速變化關(guān)系的測(cè)試結(jié)果。

由圖4（a）可知，隨著氣體表觀流速增加，液相表觀流速急劇增加到峰值后，有逐漸減少的傾向。存在一最佳氣體表觀流速使液相表觀流速達(dá)到最大值。

圖4 浸入率對(duì)氣力提升性能的影響

由圖4（b）可知，不同的浸入率下，固相表觀流速隨氣體表觀流速變化與液相表觀流速變化的整體規(guī)律相同，即隨氣體表觀流速增大，固相表觀流速均先上升到最大值，然后呈現(xiàn)出逐漸減小至平緩的趨勢(shì)。這是由提升管內(nèi)流體的特性決定的。達(dá)到臨界氣體表觀流速之前，提升管內(nèi)流體主要為泡狀流，其提升性能非常差，固體顆粒只能在進(jìn)氣口以下被攪動(dòng)，不能提升。達(dá)到臨界氣體表觀流速后，固體顆粒主要還是在進(jìn)氣口以下擾動(dòng)，但其中一部分出現(xiàn)在進(jìn)氣口上方，提升管內(nèi)的流型開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍?。隨著氣體表觀流速持續(xù)增大，能夠到達(dá)進(jìn)氣口以上的顆粒數(shù)目增加，因此該階段固相表觀流速增加明顯。當(dāng)氣體表觀流速增大到一定值后，管內(nèi)流型開(kāi)始向細(xì)胞狀流轉(zhuǎn)變，固相表觀流速在此流型作用下達(dá)到最高。氣體表觀流速達(dá)到最高值時(shí)，含有少量液體的氣相在流道內(nèi)部流動(dòng)，液體則被壓縮至管壁呈膜狀向上緩慢流動(dòng)，并在其中混合一定量的小氣泡，此時(shí)管內(nèi)液體流動(dòng)僅靠相間的摩擦力推動(dòng)。雖然液相速度相對(duì)較大，但由于含量較小，其提升顆粒的能力逐漸下降，故提升性能逐漸下降［12-13］。

由圖4（c）可知，隨氣體表觀流速升高，提升效率均先急劇增大，并在達(dá)到峰值后單調(diào)遞減。當(dāng)氣體表觀流速較低時(shí)、提升效率不高；當(dāng)氣體表觀流速達(dá)到最大值時(shí)，管內(nèi)流型開(kāi)始向細(xì)胞狀流轉(zhuǎn)變，在此流型作用下提升效率達(dá)到最高；當(dāng)氣體表觀流速過(guò)高時(shí)，出現(xiàn)逃離現(xiàn)象且管內(nèi)流型向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，管內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)僅靠相間摩擦力驅(qū)使，促使有用功減少，提升顆粒的能力逐漸降低，導(dǎo)致提升性能逐漸下降。

表1 為不同浸入率下液相表觀流速、固相表觀流速和效率的峰值。由表1可知，不同浸入率下液相表觀流速、固相表觀流速，效率的峰值略有差異。由此還可知，浸入率越大，氣力泵疏浚性能越高。

表1 不同浸入率下各參數(shù)峰值表

3.2 縱向取樣結(jié)果分析（Z軸）

為進(jìn)一步探討氣力提升技術(shù)對(duì)疏浚的影響，將氣舉頭埋入沙層（氣力泵底部至沙床表層距離H＜0），在取樣區(qū)間-170～0 mm、浸入率分別為0.45和0.70時(shí)進(jìn)行縱向垂直抽沙，得到縱向抽沙實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。由表2可知，浸入率0.45和0.70時(shí)的排沙濃度分別達(dá)到了9%和14%?？梢?jiàn)，氣力泵浸入率越高，所形成的沙坑體積越大。這是由于氣力泵底部與沙床平齊時(shí)，管口內(nèi)部在高速氣流上噴和管口沙堵的雙重作用下其內(nèi)部真空度驟然升高，導(dǎo)致吸口附近沙層突然崩離、脫落，使大量沙石瞬間提升。而且，吸口管埋入沙層越深，排沙量越大。實(shí)驗(yàn)再次證明了高浸入率能夠顯著提升系統(tǒng)舉升性能［14］。

表2 縱向抽沙參數(shù)表

4 結(jié) 論

選擇與實(shí)際工況相似的槽底供沙方式，以普通河沙為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，進(jìn)行了氣力提升裝置相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)論如下：

1）同一浸入率下，隨著氣體表觀流速增加，固相表觀流速和液相表觀流速均先上升到峰值，再逐步下降，最終變化趨于平緩。

2）提升效率隨氣體表觀流速增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且峰值位置隨浸入率升高向低氣體表觀流速偏移。說(shuō)明隨著浸入率升高，提升效率達(dá)到峰值所需的氣體表觀流速減少。

3）縱向垂直抽沙，即將氣舉頭埋入沙層后，氣力泵提升性能顯著增加，且沙坑呈倒錐形；浸入率越大，所形成的沙坑體積越大。