胡 東，林安源，王霞光，何麗晏，庹 磊

（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）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然環(huán)境遭到了不同程度的破壞，水土流失加劇、江河湖泊淤積嚴(yán)重。以長江流域?yàn)槔?019年12月至2020年12月，重慶主城區(qū)河段淤積泥沙192.4萬m3；三峽水庫從2003年6月蓄水啟用以來累計(jì)淤積泥沙19.768億噸，僅2020年淤積泥沙就達(dá)1.443億噸；2020年洞庭湖主要控制站輸沙量共2 310萬噸，由城陵磯匯入長江的輸沙量為1 100萬噸［1］。江河湖泊淤積的日益嚴(yán)重，給民眾生活、國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了不可估量的危害。當(dāng)前，我國疏浚、清淤能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，2020年長江干流疏浚共計(jì)27項(xiàng)，疏浚總量約664萬噸，實(shí)施各類采砂37項(xiàng)，實(shí)際完成采砂量約1 446萬噸。洞庭湖湖區(qū)及主要支流許可實(shí)施采砂區(qū)11個(gè)，實(shí)際完成采砂總量約3 937萬噸。當(dāng)前，淤積速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清淤速度。因此，提高清淤采砂能力、加強(qiáng)新疏浚設(shè)備的研發(fā)已是刻不容緩的任務(wù)。氣力提升裝置（也稱氣舉Airlift）以壓縮空氣作為工作介質(zhì)抽吸和壓送液體或漿料，其本身無運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉、無環(huán)境污染、適應(yīng)深水作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，已成為新型環(huán)保清淤的有效工具。

學(xué)者們在研究中發(fā)現(xiàn)，影響氣力提升系統(tǒng)性能的因素主要有兩方面：結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。進(jìn)氣方式作為一項(xiàng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)性能有著重要影響。胡東等［2-3］研究了噴嘴式進(jìn)氣，得到最佳進(jìn)氣噴嘴數(shù)量以及噴嘴高效分布方式，同時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣方式對(duì)液體舉升影響甚微，但卻能顯著提高固體顆粒的質(zhì)量流量和舉升效率。丁躍文等［4］通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，同等條件下，內(nèi)伸孔進(jìn)氣比平面孔進(jìn)氣生成氣泡速度更快、氣泡體積更小。DEENDARLIANTO等［5］采用微氣泡方式進(jìn)氣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣泡式進(jìn)氣對(duì)固體顆粒的提升能力有不同程度的增強(qiáng)。寧海燕等［6］通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁氣孔式進(jìn)氣優(yōu)于中心氣孔式進(jìn)氣，前者提升能力顯著優(yōu)于后者。AHMED等［7-8］經(jīng)過多種進(jìn)氣方式試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)組合式進(jìn)氣兼具單一式進(jìn)氣的優(yōu)勢性能，能更好的提升系統(tǒng)性能。在氣力提升技術(shù)的研究中，進(jìn)氣方式可分為軸向式、徑向式、雙向式以及旋噴式和環(huán)噴式幾種，而軸向螺旋式的進(jìn)氣方式鮮有涉及。綜合前人的研究，結(jié)合實(shí)際工程的需求，對(duì)氣力清淤進(jìn)氣方式進(jìn)行研究，提出了軸向螺旋式進(jìn)氣，并試驗(yàn)驗(yàn)證了其性能的優(yōu)越性，以期為清淤工程中氣力泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 氣力提升原理

氣力提升泵物理模型如圖1所示，該裝置可以分為3個(gè)部分：吸口段L2，從氣力泵底部E到進(jìn)氣口I；提升段L3，從進(jìn)氣口I到自由液面；排出段，從自由液面到提升管出口O。氣力泵底部E（吸口）至砂層上表面的距離稱為吸口高度H。壓縮空氣從進(jìn)氣口I進(jìn)入提升管，在水力的作用下分裂成大量小氣泡，氣泡在浮力作用下作上升運(yùn)動(dòng)，隨著其所承受壓力的減小，小氣泡發(fā)生聚合，形成大量泰勒泡，進(jìn)而推動(dòng)液團(tuán)前移，迫使管內(nèi)流體向上運(yùn)動(dòng)［9-11］。當(dāng)流體流速超過臨界工況時(shí)，水底淤積固體顆粒物便能掙脫束縛離開底床，運(yùn)移至提升管內(nèi)。當(dāng)固體顆粒躍過進(jìn)氣口I后，會(huì)制約小氣泡向泰勒泡的轉(zhuǎn)變，從而大大減弱之前存在的氣塞效應(yīng)，而此時(shí)的氣-液-固混合流體則因其平均密度小于水而上浮［12-13］。值得一提的是，本物理模型中，除了利用傳統(tǒng)氣舉浮力進(jìn)行舉升外，由于壓縮空氣軸向高速?zèng)_入提升管，和水發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換，從而兼具有射流泵效果，進(jìn)一步增強(qiáng)了氣力提升能力。

圖1 氣力提升泵物理模型Fig.1 Physical model of airlift pump

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際清淤條件，搭建了大管徑氣力泵清淤試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic drawing of the experimental setup

試驗(yàn)裝置包括供氣、提升、控制、測量4個(gè)部分。其中供氣部分由螺桿式空壓機(jī)、空氣瓶、進(jìn)氣管組成；提升部分有氣力泵、提升管和下降管；控制部分主要是移動(dòng)平臺(tái)10及其操控系統(tǒng)，能控制氣力泵沿軸（X，Y，Z）勻速運(yùn)動(dòng)，模擬動(dòng)態(tài)清淤；測量部分包括氣量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、取樣池以及電子稱量儀器。

2.2 氣力泵

氣力泵是氣力清淤系統(tǒng)的動(dòng)力源，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響，結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了研究螺旋進(jìn)氣對(duì)氣力清淤性能的影響，根據(jù)AHMED等［8］組合進(jìn)氣優(yōu)于單一進(jìn)氣的研究結(jié)論，結(jié)合炮膛螺旋效應(yīng)，設(shè)計(jì)制作了5種不同螺旋角下泵體。在錐形下泵體外表面均勻分布2×2 mm膛線，上下泵體裝配后膛線形成進(jìn)氣通道。膛線跟泵體軸向成一定夾角，即進(jìn)氣螺旋角θ，θ設(shè)計(jì)為 0°，5°，10°，15°，20° 5 種，如圖 4 所示，5 種角度泵體保持相同進(jìn)氣當(dāng)量面積，壓縮空氣通過氣腔穩(wěn)流后經(jīng)過膛線槽呈螺旋狀射入提升管。

圖3 氣力泵結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of airlift pump

圖4 氣力泵下泵體Fig.4 Lower body of airlift pump

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法：選定清淤提升管管徑、提升管長度、浸入率γ（γ=L3/L1）等試驗(yàn)參數(shù)的取值（取值范圍見表1）。以普通河砂作為提升對(duì)象，河砂平均粒徑3×10-3m，密度2 546.15 kg/m3。以水平開挖和垂直開挖兩種方式進(jìn)行清淤試驗(yàn)，獲得氣力泵清淤排水體積流量和排砂質(zhì)量流量，進(jìn)而分析螺旋式氣力泵清淤性能特性。

表1 試驗(yàn)參數(shù)取值Tab.1 Experimental parameters

吸口高度H（氣力泵底部至沙面距離）參數(shù)在水平清淤試驗(yàn)中有較高要求，采用輔助工具（專利號(hào)ZL202021821358.8）進(jìn)行砂面平整度處理，并用水平儀校準(zhǔn)，以保證試驗(yàn)H值精度。

試驗(yàn)過程：在準(zhǔn)備就緒的試驗(yàn)池中注入適當(dāng)水深，通過移動(dòng)平臺(tái)在Z軸的升降獲取試驗(yàn)所需浸入率。空壓機(jī)輸出的壓縮空氣經(jīng)過空氣瓶整流，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥獲得穩(wěn)定進(jìn)氣量，由流量計(jì)測定氣量值，壓縮空氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入氣力泵，穿過下泵體表面均布的膛線槽后呈螺旋狀射入提升管內(nèi)。提升管內(nèi)氣-水混合液在密度差作用下作上升運(yùn)動(dòng)，至提升管頂部流出，落入下降管進(jìn)行氣水分離后流入取樣池。取樣稱量獲得氣力清淤排水量。當(dāng)水的上升速度達(dá)到臨界值時(shí)，砂層中的顆粒在拖拽力作用下被提升排出，取樣稱量后獲得氣力清淤排砂量。由于試驗(yàn)所獲取的是濕砂，含有部分水分，不能反映抽取固體顆粒的真實(shí)質(zhì)量，于是對(duì)試驗(yàn)用砂進(jìn)行了干砂和濕砂兩種狀態(tài)的質(zhì)量測量，得到干濕砂的擬合質(zhì)量關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 干濕砂質(zhì)量關(guān)系曲線Fig.5 Weight relationship of dry and wet sand

計(jì)算可得干濕砂質(zhì)量方程：

式中 M1——干砂質(zhì)量，kg；

M2——濕砂質(zhì)量，kg。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水平清淤

為了對(duì)比分析不同進(jìn)氣螺旋角對(duì)氣力清淤性能的影響，在提升管DN100，管長3.7 m試驗(yàn)平臺(tái)分別安裝圖4中5種氣力泵進(jìn)行試驗(yàn)。浸入率γ=0.6，吸口高度H=0，氣力泵注入不同進(jìn)氣量（40～400 m3/h），氣力泵勻速（1.5×10-2m/s）水平移動(dòng)，測量螺旋氣力泵清淤隨進(jìn)氣量變化的排水、排砂量，得到其性能曲線如圖6所示。

圖6 不同進(jìn)氣螺旋角下螺旋氣力清淤性能隨進(jìn)氣量的變化曲線Fig.6 Variation curve of swirl airlift dredging performance with inflow air volume at different swirl injection angles

從圖6可知，不同進(jìn)氣螺旋角氣力泵排水、排砂量曲線變化規(guī)律一致，隨著進(jìn)氣量的增加先快速增加達(dá)到峰值而后減少，氣量值在60～200 m3/h系統(tǒng)處于高性能值階段，這是由于其工作原理相同所致。但不同進(jìn)氣螺旋角氣力泵的提升效果卻有所不同，隨著螺旋角的引入，系統(tǒng)排水、排砂量逐漸增加；螺旋氣力泵（θ=5°，10°，15°，20°）排水、排砂曲線較常規(guī)氣力泵（θ=0°）依次上移，并在螺旋角θ= 10°時(shí)達(dá)到最高而后開始下降。其中，螺旋式氣力泵（θ=10°）最大排砂量比常規(guī)氣力泵（θ=0°）提高28%。分析原因：一方面，排水、排砂量隨進(jìn)氣量的增加先增后減，可從氣-液能量傳遞的角度解釋，當(dāng)進(jìn)氣量很小時(shí)，水流的運(yùn)動(dòng)基本靠氣-水混合流體與水的密度差決定，因此排水量偏小。隨著進(jìn)氣量的增加，不僅使得混合流體與水的密度差變大，還因?yàn)楦咚贇饬鞯纳淞餍?yīng)使得混合流體的能量傳遞更為猛烈，從而提高了排水量。但過高的進(jìn)氣量又會(huì)因?yàn)闅?液間的滑移比上升而導(dǎo)致傳質(zhì)效果變差，減少了氣-液間的能量傳遞，甚至形成“氣芯”現(xiàn)象，大量氣體逃逸，從而導(dǎo)致排水量的減小。砂層因?yàn)樗鞯耐献У靡赃M(jìn)入提升管被提升，所以排砂性能曲線與排水曲線保持趨勢上的一致性。另一方面，不同進(jìn)氣螺旋角產(chǎn)生了不一樣的提升效果，原因有：（1）軸向螺旋式進(jìn)氣，氣體在向提升管內(nèi)噴射時(shí)兼具有傳統(tǒng)軸向進(jìn)氣的射流泵效果，但由于泵內(nèi)沒有噴嘴，不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生阻滯作用，使得其性能更優(yōu)于傳統(tǒng)軸向式氣力泵。（2）螺旋式進(jìn)氣誘發(fā)流體作螺旋上升運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大了底部流場作用范圍，增加了對(duì)淤積固體顆粒的切向拖拽力，使固體顆粒易于克服阻力作上升運(yùn)動(dòng)［14］。（3）圓柱形管道結(jié)構(gòu)在氣力提升過程中，上升的氣泡因浸入深度減小而出現(xiàn)膨脹特性，由于管徑恒定不變，導(dǎo)致提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)沿軸向上升而增加，致使進(jìn)氣口附近流型與提升管出口位置流型有較大差異。顯然，這一特性會(huì)削弱氣力提升系統(tǒng)性能，而混合漿料的螺旋式上升能穩(wěn)定流體流場削弱這一特性。（4）螺旋進(jìn)氣膛線均勻分布于泵體，使壓縮空氣分流后均勻噴入提升管，與混合流體摩擦后形成細(xì)小氣泡，管內(nèi)流型更接近細(xì)泡狀流，更利于能量的交換、利于漿料的提升［15］。但是，過大的螺旋角度，削弱了流體軸向流速、增加了流體徑向流速，使固體顆粒和液體在離心力作用下與管壁產(chǎn)生過度摩擦，增加摩阻損失，降低提升系統(tǒng)性能。

在圖6中，進(jìn)氣量相同時(shí)，引入螺旋角增大了氣力清淤系統(tǒng)排水、排砂量，表明適當(dāng)進(jìn)氣螺旋角有利于提升氣力清淤系統(tǒng)性能：由試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知螺旋角度為10°的提升效果較優(yōu)。

基于能量守恒和多相流理論，引用相同工況黃曉明效率計(jì)算公式［16-18］：

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算得到系統(tǒng)清淤效率，比較不同角度螺旋式氣力泵清淤效率，得到圖7示出進(jìn)氣量-效率曲線。

圖7 不同進(jìn)氣螺旋角下提升效率隨進(jìn)氣量的變化Fig.7 Variation of lifting efficiency with inflow air volume at different swirl injection angles

圖7示出不同螺旋氣力泵的進(jìn)氣量-效率曲線變化規(guī)律大體一致：進(jìn)氣量較小時(shí)效率隨進(jìn)氣量的增加而升高；繼續(xù)增加進(jìn)氣量，效率達(dá)到峰值后快速下降，氣量值大于200 m3/h后下降速度趨于平緩。但是，隨著進(jìn)氣螺旋角的引入，系統(tǒng)效率曲線明顯上移，并呈現(xiàn)η0°＜η5°＜η10°＞η15°＞η20°的規(guī)律，即系統(tǒng)效率隨著螺旋角的增加而提高，在θ=10°達(dá)到最大后開始隨螺旋角的增加而降低。θ=10°時(shí)，螺旋式氣力泵清淤效率比常規(guī)氣力泵清淤（θ=0°）效率提高14%。分析進(jìn)氣量-效率曲線規(guī)律可知，進(jìn)氣螺旋角的引入提高了氣力清淤系統(tǒng)效率，但過大的螺旋角反而降低了系統(tǒng)效率。主要原因在于：（1）進(jìn)氣量較小時(shí)，靠密度差進(jìn)行排水，排水量較小，拖拽力不足，系統(tǒng)的清淤排固能力不足，致使清淤效率較低。過大的進(jìn)氣量，又因氣-液間滑移比的上升而導(dǎo)致系統(tǒng)排水、排砂量下降。（2）螺旋角的引入誘使流體呈螺旋狀上升，增加氣力泵吸口的流暢擾動(dòng)，同時(shí)增加了對(duì)水底淤積層的切應(yīng)力，使得淤積層顆粒易于起動(dòng)離開底床被提升，從而提高清淤效率。（3）持續(xù)增大螺旋角，會(huì)削弱氣力泵軸向射流效應(yīng)，同時(shí)急劇增加提升管內(nèi)流體與管壁的徑向摩擦，增加磨損，導(dǎo)致提升效率降低。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，螺旋角以10°較為適宜。

3.2 垂直清淤

根據(jù)實(shí)際清淤工程需要，進(jìn)行垂直抽砂試驗(yàn)。取系統(tǒng)高排砂段進(jìn)氣值80 m3/h，浸入率γ=0.7～0.8，氣力泵勻速（5×10-3m/s）垂直下降，將氣力泵埋入淤積砂層，H ∈（-0.22，0）m。測量螺旋氣力清淤排砂、排水量，同時(shí)得到清淤后砂坑尺寸參數(shù)及坑貌。

垂直清淤試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，分析數(shù)據(jù)可知，在氣力泵吸口埋入砂層（H＜0）工況下，系統(tǒng)排砂量和排砂濃度急速提高，排水量反而有所減少。這是因?yàn)?，?dāng)氣力泵底部埋入砂層后，管口內(nèi)部在高速氣流的噴射和管口砂堵雙重作用下其真空度急劇升高，引發(fā)吸口附近砂層坍塌、脫落，導(dǎo)致大量砂石進(jìn)入吸口管得以提升。而且，吸口管埋入砂層越深，排砂量越大。此時(shí)（H＜0），由于充足的砂石填塞了氣力泵吸口，大大阻礙了水流的進(jìn)入，所以出現(xiàn)了排水量下降的情況。數(shù)據(jù)顯示，泵的埋入深度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，當(dāng)取樣區(qū)間H1∈（-0.17，0）m，試驗(yàn)最大排砂量為 5 958 kg/h、排砂體積濃度22.59%，對(duì)應(yīng)最大砂坑直徑0.69 m、砂坑深度0.225 m，砂坑上表面面積為氣力泵吸口面積的 97 倍；當(dāng)取樣區(qū)間 H2∈（-0.22，0）m，試驗(yàn)最大排砂量達(dá)到7 131.6 kg/h、排砂體積濃度高達(dá)30.44%，對(duì)應(yīng)最大砂坑直徑0.88 m，砂坑深度0.285 m，砂坑上表面面積為氣力泵吸口面積的158倍。可見，氣力泵埋入淤積層越深，系統(tǒng)排砂量越大、排砂濃度越高。試驗(yàn)中，淤積砂層出現(xiàn)明顯的塌陷和流動(dòng)，排砂后形成倒圓錐形砂坑。另外，表2可知，在垂直抽砂中，氣力泵清淤排砂量和排砂濃度隨著進(jìn)氣螺旋角的增加而增加，達(dá)到最高值后開始下降。可見，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣螺旋角能夠提高氣力泵清淤性能。試驗(yàn)顯示，進(jìn)氣螺旋角θ=10°氣力泵提升效果最佳。

表2 垂降清淤數(shù)據(jù)Tab.2 Sand pumping data in vertical direction

3.3 臨界情況研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證螺旋進(jìn)對(duì)氣力清淤性能的影響，進(jìn)行了水砂起動(dòng)臨界情況的研究。浸入率γ=0.6，吸口高度H=0，氣力泵水平勻速運(yùn)動(dòng)（1.5×10-2m/s）。調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量閥，進(jìn)氣量由零開始緩慢增大，至提升管出口恰好出現(xiàn)水流，記錄氣量值；繼續(xù)緩慢加大進(jìn)氣量，記錄出口出現(xiàn)固體顆粒氣量值。多組試驗(yàn)后數(shù)據(jù)見表3。

表3 臨界值試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data under critical condition

表3反應(yīng)了不同螺旋氣力泵臨界排水、排砂所需氣量值：砂水起動(dòng)所需氣量值隨進(jìn)氣螺旋角度的增加而減小，達(dá)到最小值后開始增加，更低的氣量值條件下獲得砂水的提升，降低清淤系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)效率，該最低氣量需求在螺旋角θ=10°時(shí)獲得，再次印證了前面的試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）采用了一種軸向螺旋式進(jìn)氣新方式，并通過與常規(guī)氣力清淤對(duì)比證明了其性能的優(yōu)越性。

（2）進(jìn)氣螺旋角的引入，并未改變氣力泵提升性能隨氣量值的變化趨勢，但顯著提高了氣力泵清淤排砂量和提升效率，且以螺旋進(jìn)氣角為10°氣力泵提升性能最佳。

（3）水平清淤作業(yè)，螺旋式氣力泵（θ=10°）清淤最大排砂量和提升效率比常規(guī)氣力泵（θ=0°）分別提高28%和14%。

（4）氣力泵埋入砂層（H＜0），系統(tǒng)排固能力顯著提高，淤積砂層出現(xiàn)塌陷、流動(dòng)，形成倒圓錐形砂坑，且砂坑體積隨氣力泵埋入深度的增加而增加。