水射流強(qiáng)化疏浚用氣力泵提升性能的試驗(yàn)研究

林 鵬，蘇子澤，胡 東，郭鵬程

（1. 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； 2. 寧波巨神制泵實(shí)業(yè)有限公司，浙江 寧波 315135；3. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引 言

中國河流眾多，淤泥嚴(yán)重，存在大量的疏浚需求［1］。隨著我國“天鯨號”的成功下海，我國疏浚企業(yè)年疏浚能力突破10 億m3，疏浚能力躍居世界第一，然而與18 億t 泥沙的淤積量相比，我國清淤疏浚缺口仍然巨大。尤其是山塘水庫和河道淤積嚴(yán)重，我國的年平均庫容損失率更是達(dá)到2.3%，遠(yuǎn)高于世界平均水平［2］。針對氣力提升方面的研究，主要集中在氣力提升的工作性能、工作參數(shù)、多相流穩(wěn)態(tài)和瞬變流動特性等方面［3-6］，鮮有人關(guān)注氣力泵底部的流動狀態(tài)。而氣力泵底部流場特性，尤其是底部淤泥進(jìn)入氣力泵吸口體積流量（質(zhì)量流量）的大小，對氣力泵提升性能有著至關(guān)重要的影響。

文獻(xiàn)［7］認(rèn)為砂礦的抽取量基本上決定于通過吸管口與土巖表面之間環(huán)形間隙中水流的平均速度VA，而VA的大小主要由吸口的局部真空決定，若不事先破碎板結(jié)的淤泥，其抽吸效果極其有限。因此，現(xiàn)有清淤設(shè)備，通常需要特定的旋轉(zhuǎn)盤或者高速射流來輔助增加進(jìn)口速度［8］。最原始的手段是采用炸藥，對底部泥層進(jìn)行水下爆破，讓底部泥層破碎、懸浮，然而這種方法在實(shí)際使用中極不方便，也不安全，整體效率低［7］。絞吸式、耙吸式挖泥船都存在清淤能力有限［9］。射流船清淤則是依靠噴嘴陣列噴出高速射流促使泥沙不斷懸浮，向低處流動，然而受限于工作工況［10］，且其所用噴嘴一般是連續(xù)射流噴嘴，不能對底部泥沙產(chǎn)生脈動作用。而自振脈沖水射流技術(shù)的出現(xiàn)，可為底部泥沙脈動創(chuàng)造條件。廖振方［11］、向文英［12，13］、唐川林［14］等人都提出利用氣舉裝置與自激振蕩脈沖射流相結(jié)合的清淤新方法，發(fā)現(xiàn)在水下，振蕩脈沖射流不僅能很好地破碎和疏散淤泥、土巖，而且為它們進(jìn)入氣舉（氣力泵）吸口提供了良好的周邊環(huán)境。

因此，將氣力泵與脈沖射流聯(lián)合清淤技術(shù)引入江河湖泊及農(nóng)田水利系統(tǒng)的疏浚工程，重點(diǎn)研究脈沖水射流噴嘴個數(shù)及不同布置方式對氣力泵底部流場及疏浚特性的影響，對改善環(huán)境、倡導(dǎo)可持續(xù)性發(fā)展都具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義。

1 氣力泵疏浚裝備工作原理及優(yōu)勢

1.1 氣力泵疏浚裝備工作原理

氣力提升（Airlift）是以壓縮空氣為工作介質(zhì)，來抽吸和壓送液體或漿體的流體輸送機(jī)械［15］。氣力泵（氣力提升泵）裝置主要由空氣壓縮機(jī)、氣力泵、提升管及輔助破碎裝置構(gòu)成，其工作原理和物理模型如圖1 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由空氣壓縮機(jī)提供壓縮氣體，經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入氣力泵環(huán)形縫隙，由于壓縮空氣經(jīng)環(huán)形縫隙噴出后形成局部真空，在氣力泵底部吸口形成強(qiáng)大的抽吸力（若結(jié)合脈沖射流噴嘴的振蕩脈沖作用效果更好），從而將庫底淤泥抽吸至泵內(nèi)，與壓縮空氣進(jìn)行能量交換，實(shí)現(xiàn)氣體、液體、固體的充分混合，在浮力、拖曳力和真空抽吸力（振蕩脈沖）的共同作用下，庫底淤泥實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸和提升。

圖2 氣力泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The internal structure of the airlift pump

1.2 氣力泵疏浚與傳統(tǒng)疏浚的對比優(yōu)勢

與傳統(tǒng)葉片泵相比，氣力泵內(nèi)無運(yùn)動部件、沒有磨損，不易卡阻、不受顆粒濃度及尺寸限制。脈沖水射流主要功能為挖掘泥砂，由于其特有的軟刀切割及破碎特性，較傳統(tǒng)鉸刀具有非接觸性、磨損小、成本低及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。此外，脈沖水射流裝備還因其流態(tài)化作用可替代傳統(tǒng)耙吸清淤過程中沖水泵功效。如將其噴射角度設(shè)置合理，還可起到氣力泵吸口增速功能，使得漿料更易越過兩相段，便于后續(xù)提升。顯然，脈沖水射流可替代傳統(tǒng)挖泥船中多種挖掘及輔助設(shè)備功效，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，脈沖水射流與氣力泵聯(lián)合疏浚技術(shù)相比傳統(tǒng)疏浚方式，優(yōu)勢明顯。疏浚裝備整體造價(jià)下降45%以上，可使疏浚管道磨損率降低15%，裝備使用壽命大幅提升。

圖3 氣力泵疏浚與傳統(tǒng)疏浚對比圖Fig.3 Comparison of airlift pump dredging and traditional dredging

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

本試驗(yàn)的空壓系統(tǒng)采取2 臺瑪爾泰螺桿式M40A 空氣壓縮機(jī)，額定排氣壓力約為1.25 MPa，壓縮空氣經(jīng)儲氣罐進(jìn)入氣力泵內(nèi)，氣體與漿料混合，通過提升管（D=100 mm）將漿料輸送至取料池。試驗(yàn)水池尺寸為4.5 m×2.5 m×3.5 m，預(yù)先在池底鋪入300 mm 厚普通河沙。試驗(yàn)系統(tǒng)由氣力提升系統(tǒng)、輔助破碎系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成。控制面板發(fā)送指令，通過控制三維移動平臺來帶動氣力泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3個方位的移動，完成平移抽沙和縱向抽沙試驗(yàn)。不同試驗(yàn)下的浸入率γ（γ=L3/L1）為氣力泵進(jìn)氣口到水面距離L3與進(jìn)氣口到出口距離L1的比值，可通過進(jìn)水管及水槽底部閥門來進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣體流量由空壓機(jī)閥調(diào)節(jié)，并通過LZB-50 型氣體流量計(jì)測定，其誤差在±1.5%以內(nèi)。水流量則由LZB-100F型液體流量計(jì)測量，相應(yīng)最大誤差為±1.5%。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Experimental setup

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 噴嘴數(shù)量對氣力泵疏浚性能的影響

水射流噴嘴的布置方案如圖5 所示。圖6 為浸入率γ=0.3時，水射流噴嘴數(shù)量對氣力泵疏浚性能影響。由圖可知，隨著氣體流速JG的增大，揚(yáng)水量JL和揚(yáng)固量JS均呈現(xiàn)先增大后減小的類拋物線趨勢，說明氣體流速存在一個最優(yōu)范圍（1.5～2 m/s），并不是越大越好。引入水射流噴嘴對系統(tǒng)揚(yáng)水量的影響不大，當(dāng)噴嘴數(shù)量（N＞3）繼續(xù)增加，揚(yáng)水量反而有所減小。這是由于氣體流速的改變引起了提升管內(nèi)流型的變化，進(jìn)而引起管內(nèi)混合流體密度差、滑移比和相間傳質(zhì)能力的改變，使得揚(yáng)水量先增大后減小。

圖5 水射流噴嘴布置方案Fig.5 Water jet nozzle layout scheme

圖6 噴嘴數(shù)量對氣力泵疏浚性能的影響（γ=0.3）Fig.6 Influence of the number of water jet nozzles on the air lift performance（γ=0.3）

此外，引入水射流噴嘴之后，氣力泵的揚(yáng)固量有巨大提升，說明，水射流噴嘴對揚(yáng)固量的影響極為顯著，然而噴嘴個數(shù)（N＞3）對揚(yáng)固量影響甚微。這是由于高壓泵輸入高壓水進(jìn)入脈沖水射流噴嘴，形成振蕩射流，不僅對水底板結(jié)泥砂層進(jìn)行疲勞損傷破壞，使之分解，還因其攪拌作用促進(jìn)吸口流態(tài)化，使得顆粒易于越過液-固兩相流段，便于后續(xù)氣力泵輸送，從而使得氣力泵的揚(yáng)固能力得到了顯著提升。對比圖6 和圖7 發(fā)現(xiàn)，浸入率γ對氣力泵疏浚性能影響較大，隨著浸入率γ的增大，揚(yáng)水量JL和揚(yáng)固量JS均有較大提升，尤其是揚(yáng)固量峰值相比無噴嘴工況提高了10倍之多。

圖7 噴嘴數(shù)量對氣力泵疏浚性能的影響（γ=0.8）Fig.7 Influence of the number of water jet nozzles on the air lift performance（γ=0.8）

3.2 噴嘴布置方式對氣力泵疏浚性能的影響

圖8為浸入率γ=0.3時，水射流噴嘴布置方式對氣力泵疏浚性能的影響。從圖8（a）中可知，噴嘴的不同布置方式對揚(yáng)水量的影響較小，4種布置方案下，揚(yáng)水量隨進(jìn)氣速度的變化趨勢一致。然而，揚(yáng)固量受噴嘴不同布置方案的影響較大。4 種不同布置方案下，揚(yáng)固量最大為方案2，其次為方案3、4，揚(yáng)固量最小為方案1。方案2 和3 差距不大，但較方案4 和1，揚(yáng)固量有明顯提升，且這種差距在峰值附近趨于最大，而在進(jìn)氣量較小與較高時則不明顯。說明水射流噴嘴的非均勻布置有助于氣力提升性能的提高。這是由于噴嘴的非均勻布置促使底部流場出現(xiàn)脈動，形成脈動流場，使得大量顆粒在振蕩脈沖射流所產(chǎn)生的極大瞬間拖曳力峰值作用下，解除了底部的壓持效益，助力顆粒脫離底部泥沙向上運(yùn)動，從而順利啟動并得到提升，因而方案2 所對應(yīng)的提升性能高于方案3。然而，若噴嘴的分布過于不均勻，如方案1，則會導(dǎo)致氣力泵吸口底部流場的脈動范圍縮小，僅作用于一側(cè)，使得系統(tǒng)的提升性能增強(qiáng)不明顯。此外，若噴嘴的布置過分“偏心”，會引起顆粒偏離吸口，得不到提升，導(dǎo)致系統(tǒng)提升能力減弱。

圖8 噴嘴分布方式對氣力泵疏浚性能的影響（γ=0.3）Fig.8 Influence of water jet nozzle distribution on air lift performance （γ=0.3）

4 現(xiàn)場應(yīng)用研究

團(tuán)隊(duì)研制的試驗(yàn)樣機(jī)是利用氣力提升技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下淤泥、砂石的抽取及垂直輸送，主要動力源為壓縮空氣。氣力泵施工流程示意圖如圖9 所示。在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試現(xiàn)場采用“自振氣力泵+水平軟管+母船”組合實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)抽吸、移動抽吸等抽吸方式，現(xiàn)場抽吸濃度可觀。

圖9 氣力泵現(xiàn)場施工流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of the construction process of the airlift pump

圖10 水上平臺（母船）和氣力泵裝備Fig.10 Water platform （mother ship）

4.1 含水平輸送軟管現(xiàn)場試驗(yàn)

氣力泵系統(tǒng)的缺陷在于水平輸送距離有限，然而通過此次試驗(yàn)可看出，經(jīng)過150 m的水平軟管水平輸送之后，管內(nèi)流體仍然具有很大的能量，且內(nèi)部能量具有脈沖特性，氣力提升裝置在中遠(yuǎn)距離水平輸送上仍具潛力。

圖11 氣力泵裝置布置圖Fig.11 Layout of the airlift pump device

4.2 僅垂直輸送管現(xiàn)場試驗(yàn)

由圖12 可知，流速和濃度基本隨著清淤深度的增大而增大，從而驗(yàn)證了氣力泵浸入率越大，氣力提升效率越高的結(jié)論，與理論一致。

圖12 清淤深度與濃度、流速關(guān)系Fig.12 Relationship between dredging depth， concentration and flow velocity

通過試驗(yàn)可知，氣力提升裝置特別適用于垂直提升，將淤泥從水庫底部提升到水面2.5 m 高度（共16 m）非常輕松，且噴距較大，可在同一位置抽吸較長時間，說明附近淤泥會向泵吸口流動，與預(yù)想的效果一致。

這是由于空壓機(jī)輸出壓縮空氣經(jīng)輸氣管進(jìn)入自振氣力泵并高速脈動噴出，一方面與泵內(nèi)漿體產(chǎn)生強(qiáng)烈的動能交換，在氣力泵底部吸口處形成局部脈動真空，另一方面因氣體作用在泵內(nèi)形成比水密度輕的氣-水-砂混合體，從而將水底下疏松的泥砂源源不斷吸入氣力泵內(nèi)，自振氣流引發(fā)混合流體出現(xiàn)振蕩特征，造成泵吸口附近瞬時負(fù)壓較高，有利于吸入大量顆粒，促進(jìn)氣力泵疏浚性能提高。

圖13 氣力泵垂直提升現(xiàn)場疏浚試驗(yàn)效果Fig.13 Dredging test effect of vertical lift of airlift pump

5 結(jié) 論

（1）水射流噴嘴的引入對氣力泵系統(tǒng)揚(yáng)水量影響較小，卻可極大的提高揚(yáng)固量。可起到解除底部壓持效應(yīng)之功效，使得底部流場脈動，固體表觀流速得到大幅提升，使得顆粒易于啟動。

（2）水射流噴嘴數(shù)量過多對系統(tǒng)揚(yáng)固量影響不大，然其分布方式對揚(yáng)固量影響顯著。因此，需采用非均勻分布方式，但不能過分“偏心”，不然會引起顆粒偏離吸口，得不到提升，易引發(fā)動壓持效應(yīng)，致使氣力泵疏浚性能降低。

（3）浸入率γ對氣力泵疏浚性能影響較大，隨著浸入率γ的增大，揚(yáng)水量JL和揚(yáng)固量JS均有較大提升，尤其是揚(yáng)固量峰值相比無噴嘴工況提高了10 倍之多，驗(yàn)證了氣力泵浸入率越大，疏浚效率越高的結(jié)論，與理論一致。

（4）設(shè)計(jì)的工程樣機(jī)通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)，氣力提升裝置在中遠(yuǎn)距離水平輸送上仍具潛力。流速和濃度基本隨著清淤深度的增大而增大，驗(yàn)證了脈沖水射流與漿料氣力提升一體化技術(shù)能有效的運(yùn)用于疏浚清淤工程實(shí)踐，也從側(cè)面驗(yàn)證了深水區(qū)域氣力技術(shù)疏浚的可行性。