气力泵疏浚特性研究①

2022-01-06何丽晏林安源王霞光

矿冶工程 2021年6期

胡东，何丽晏，林安源，庹磊，王霞光

（湖南人文科技学院能源与机电工程学院，湖南娄底417000）

山塘水库在农业灌溉和居民日常生活中发挥着重要作用。我国大多数山塘水库的开挖和疏浚时间相对较长，其排灌能力受到很大影响，严重影响山塘水库发挥作用。目前国内疏浚工具较为落后，主要采用抓斗式、泵吸式、绞吸式和斗轮式等设备，这些疏浚设备往往适用于特定的疏浚介质、特定的施工水域条件，存在功率大、能耗高、挖泥浅、挖掘硬度有限、易磨损、运行成本高等问题，且常使用这些机械设备易导致水质恶化、环境污染［1-2］。

气举装置（也称气力提升泵）是以压缩空气为工作介质，抽吸和压送浆体的流体输送机械。气举本身没有运动部件，结构简单，已逐渐成为举升矿浆、淤泥、石油及输送危险性液体的有效可靠工具［3］。众多学者对气力泵疏浚模型进行了深入研究，取得了一系列重要研究成果［4-8］。气力泵也可用于海底采矿、输送危险化工液体、河道清淤、污水处理以及油田开采等各种工程实际中［9］。

现阶段气力提升技术多采用供沙箱供沙方式模拟疏浚过程，仅限于模拟仿真或特定工况下的实验，难以指导实际工程应用。本文结合山塘水库实际工况，拟采用槽底供沙方式，以粒径3 mm的河沙作为实验对象，分别从横向和纵向对气力泵疏浚特性进行研究。

1 气力提升原理及其效率模型

1.1 气力提升原理

气力提升系统物理模型如图1所示。气举系统主要由空气压缩机、气举头和提升管组成。压缩空气经进气口注入提升管，在提升管内，气流和液体冲击形成许多气泡，在浮力作用下，气泡在上移过程中聚结并当横截面积几乎等于管道直径时，气泡开始破裂，大气泡便分裂为许多个小气泡，小气泡在向上运动过程中又会重复上述过程，从而推动流体在管道内部上升运动。当液体被提升后，沉积到底部的固体颗粒受到运动流体的摩擦阻力（又称为拖曳力）和自身重力作用，当摩擦阻力大于固体颗粒的重力时，固体颗粒便被提升上来［10］。

1.2 气力提升系统效率模型

基于能量守恒定律引用气力提升效率公式［11］如式（1）所示。本文采用表观流速计量，则式（1）可改写成式（2）。

式中η为提升效率；P0为大气压，取值101 325 Pa；g为重力加速度，取值9.8 m／s2；ζ为局部阻力系数，取值0.56；vL为运动黏度，取值0.906×106m2／s；ρ为水密度，取值1 000 kg／m3；ρS为河沙密度，取值2 546.15 kg／m3；D为提升管通径，取值0.1 m；JL为液相表观流速，m／s；JS为固向表观流速，m／s；JG为气体表观流速，m／s；L1～3如图1所示。

2 实验装置及方法

选用与实际工程更为接近的槽内供沙方式，即在水槽底部平铺一定厚度的实验颗粒。实验系统示意图如图2所示。该系统主要由供气系统、气力提升系统，测量系统以及操控系统组成。其中供气系统由空压机、储气罐、气体流量计、流量调节阀组成；气力提升系统由气举头以及提升管组成；测量系统由空气流量计、取样池以及称量工具组成；操作系统由疏浚池（3.85 m×2.52 m×3 m）和移动平台组成。

图2 实验系统示意图

根据实验条件，结合工程实际状况，测试颗粒选用平均粒径3 mm、密度2 546.15 kg／m3的普通河沙模拟水下疏浚。此外，为减弱空压机输出端气流容易因螺杆运动而引起的误差，特在气体流量计前设置储气罐，以确保进气口流速稳定。

横向实验时，首先启动空压机，通过流量调节阀控制气体流量，并且将操作平台沿Z轴降至固定高度之后往Y轴方向匀速移动，当出口端开始稳定输送浆体时，开始取样，设定取样时间8 s。取样结束后，分别对液相和固相进行称重。

纵向实验时，首先启动空压机，通过流量调节阀控制气体流量，并且将操作平台沿Z轴方向匀速下降，当出口端开始稳定输送浆体时，开始取样，设定取样时间19 s。取样结束后，分别对液相和固相进行称重。

实验过程中，由于所获湿沙含水，不能反映其真实质量，对一定量河沙在浸水和未浸水两种状态下分别进行测量，得到干湿沙质量拟合曲线如图3所示。

图3 干⁃湿沙质量对应关系图

经计算分析可知，河沙固体颗粒的线性拟合方程为：

式中x和y分别为湿沙和干沙质量，kg。

3 实验结果及其分析

3.1 横向取样结果分析（Y轴）

采用槽底铺沙方式，沙层厚度300 mm，L1＝3.480 m，L3分别选择1.044 6 m，1.566 m和2.088 m，对应的浸入率γ分别为0.30，0.45和0.60。图4为3种浸入率下管道出口端液相表观流速、固相表观流速以及提升总效率随气体表观流速变化关系的测试结果。

由图4（a）可知，随着气体表观流速增加，液相表观流速急剧增加到峰值后，有逐渐减少的倾向。存在一最佳气体表观流速使液相表观流速达到最大值。

图4 浸入率对气力提升性能的影响

由图4（b）可知，不同的浸入率下，固相表观流速随气体表观流速变化与液相表观流速变化的整体规律相同，即随气体表观流速增大，固相表观流速均先上升到最大值，然后呈现出逐渐减小至平缓的趋势。这是由提升管内流体的特性决定的。达到临界气体表观流速之前，提升管内流体主要为泡状流，其提升性能非常差，固体颗粒只能在进气口以下被搅动，不能提升。达到临界气体表观流速后，固体颗粒主要还是在进气口以下扰动，但其中一部分出现在进气口上方，提升管内的流型开始转变为弹状流。随着气体表观流速持续增大，能够到达进气口以上的颗粒数目增加，因此该阶段固相表观流速增加明显。当气体表观流速增大到一定值后，管内流型开始向细胞状流转变，固相表观流速在此流型作用下达到最高。气体表观流速达到最高值时，含有少量液体的气相在流道内部流动，液体则被压缩至管壁呈膜状向上缓慢流动，并在其中混合一定量的小气泡，此时管内液体流动仅靠相间的摩擦力推动。虽然液相速度相对较大，但由于含量较小，其提升颗粒的能力逐渐下降，故提升性能逐渐下降［12-13］。

由图4（c）可知，随气体表观流速升高，提升效率均先急剧增大，并在达到峰值后单调递减。当气体表观流速较低时、提升效率不高；当气体表观流速达到最大值时，管内流型开始向细胞状流转变，在此流型作用下提升效率达到最高；当气体表观流速过高时，出现逃离现象且管内流型向环状流转变，管内液体运动仅靠相间摩擦力驱使，促使有用功减少，提升颗粒的能力逐渐降低，导致提升性能逐渐下降。

表1 为不同浸入率下液相表观流速、固相表观流速和效率的峰值。由表1可知，不同浸入率下液相表观流速、固相表观流速，效率的峰值略有差异。由此还可知，浸入率越大，气力泵疏浚性能越高。

表1 不同浸入率下各参数峰值表

3.2 纵向取样结果分析（Z轴）

为进一步探讨气力提升技术对疏浚的影响，将气举头埋入沙层（气力泵底部至沙床表层距离H＜0），在取样区间-170～0 mm、浸入率分别为0.45和0.70时进行纵向垂直抽沙，得到纵向抽沙实验参数如表2所示。由表2可知，浸入率0.45和0.70时的排沙浓度分别达到了9%和14%。可见，气力泵浸入率越高，所形成的沙坑体积越大。这是由于气力泵底部与沙床平齐时，管口内部在高速气流上喷和管口沙堵的双重作用下其内部真空度骤然升高，导致吸口附近沙层突然崩离、脱落，使大量沙石瞬间提升。而且，吸口管埋入沙层越深，排沙量越大。实验再次证明了高浸入率能够显著提升系统举升性能［14］。