氣力提升管內(nèi)流型識別的實驗研究

（湖南工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

氣力提升裝置（air-lift device）也稱氣舉，是一種以壓縮空氣為動力介質(zhì)，利用提升管進(jìn)行輸送液體或漿體的流體機械裝置[1-2]。氣力提升裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作安全可靠且易于維護(hù)等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于河道、碼頭的清淤，深井取水和水力開采等領(lǐng)域[3-4]。但因?qū)饬μ嵘b置中氣力提升管內(nèi)的流動狀態(tài)、流型特征以及流型間相互轉(zhuǎn)變機理的研究較為缺乏，而無法進(jìn)一步提高提升效率。

目前，對于氣力提升管中氣液兩相流流型的研究與分類，國外學(xué)者研究較多。比如：S.Z.Kassab等[5]通過對不同淹沒率和不同長度的氣力提升管進(jìn)行了試驗研究，并在此基礎(chǔ)上建立了能夠?qū)ε轄盍?、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流的液體體積流量進(jìn)行預(yù)測的理論模型。T.M.Charalampos等[6]采用電導(dǎo)率探針對氣力提升裝置在不同淹沒率和進(jìn)氣量下的氣液兩相流流型進(jìn)行了試驗研究，得到了不同運行參數(shù)下（即進(jìn)氣量和淹沒率）的流型轉(zhuǎn)變圖。

國內(nèi)學(xué)者對于氣液兩相流流型的研究主要集中在化學(xué)工業(yè)、石油工程等領(lǐng)域。隨著采礦工程、冶金工程以及能源工程等旋工過程中均涉及到氣液固三相流，對氣液固三相流的研究變得越來越重要。而氣力提升裝置是以輸運氣液固三相流為主的流體機械，由于固相顆粒的存在使得氣液固三相流的流型比氣液兩相流更為復(fù)雜。C.H.Yoon等[7]通過對氣力提升裝置中氣力提升管處于氣液固三相流時的流動特征進(jìn)行理論研究，建立了考慮氣液固三相的瞬變流體動力學(xué)模型。S.Kumar等[8]采用差壓傳感器對不同固體濃度、液相速度和氣相速度下的鼓泡塔內(nèi)氣液固三相流的流型轉(zhuǎn)變機理進(jìn)行了實驗研究，得知當(dāng)固體濃度高時，會對流型轉(zhuǎn)變造成影響。國內(nèi)學(xué)者對于氣液固三相流的研究主要集中在流化床、攪拌槽等，而對氣力提升裝置方面的研究甚少。

研究氣力提升裝置中氣力提升管內(nèi)的流型，不僅能為建立氣力提升裝置理論模型提供參考，還能對氣力提升裝置的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，故本文主要針對氣力提升管內(nèi)的氣液兩相流和氣液固三相流的流型進(jìn)行研究，以期為后續(xù)流型的研究提供參考依據(jù)。

2 實驗系統(tǒng)及實驗方法

圖1為實驗用小型氣力提升裝置示意圖。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental devices

為了便于利用高速攝像儀記錄氣力提升裝置中氣力提升管內(nèi)的氣液兩相流流型和氣液固三相流流型的變化過程，從而分析兩相流和三相流的流型特征以及各流型間的轉(zhuǎn)變機理，課題組在實驗室內(nèi)建立了小型氣力提升裝置。該裝置主要是由高速攝像系統(tǒng)，氣力提升系統(tǒng)，能夠提供滿足實驗要求的水、壓縮空氣、固體顆粒等的系統(tǒng)組成。

實驗開始前啟動空壓機，使壓縮空氣進(jìn)入凈化器中降絮除塵。然后調(diào)節(jié)出水閥門開關(guān)，使提升管內(nèi)的液面能夠達(dá)到液位計上已設(shè)定的刻度，即調(diào)節(jié)所需的淹沒率γ（指從進(jìn)氣孔到提升管液面距離與進(jìn)氣孔到提升管管口距離的比值）。同時調(diào)節(jié)氣體流量（即進(jìn)氣量QG，可通過式VG=QG/A得到氣相流速VG，其中A為管道截面積。）閥門開關(guān)使壓縮空氣進(jìn)入提升泵中形成氣力提升。此時的氣力提升管內(nèi)只有氣液兩相，當(dāng)氣液兩相到達(dá)氣體分離器時，氣相隨即排入大氣中，液相經(jīng)液固兩相分離器進(jìn)行回收與利用。最后調(diào)節(jié)輸送固體顆粒的閥門開關(guān)，提升管內(nèi)開始由氣液兩相轉(zhuǎn)變成為氣液固三相，固相顆粒也可以在液固分離器中進(jìn)行回收與循環(huán)利用。

實驗過程中使用的提升管為高透明度的有機玻璃管。因Vision Research出廠的Phantom Miro M310型高速動態(tài)攝像機，帶有一款可對圖片進(jìn)行分析處理的圖像記錄分析軟件（PCC）而被應(yīng)用在本實驗中。實驗時，先將三基色柔光燈和高速攝像機的位置進(jìn)行調(diào)整，使其盡量呈直角布置，然后打開三基色柔光燈，細(xì)調(diào)高速攝像機的鏡頭焦距，盡量保持拍攝平面平行于提升管的軸心所在平面，開始拍攝。由于麥飯石陶瓷顆粒的形狀基本為球體，故選用粒徑為2mm的麥飯石陶瓷顆粒作為本實驗中的固體顆粒。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 氣液兩相流流型

圖2所示為垂直管中常見的4種氣液兩相流的經(jīng)典流型[9-10]。

圖2 垂直管向上流動流型Fig.2 Vertical tube flow upward flow pattern

通過高速攝像儀對氣力提升管內(nèi)處于氣液兩相流時進(jìn)行拍攝，并利用其自帶的圖像記錄分析軟件PCC對圖像進(jìn)行分析，得到了氣力提升系統(tǒng)處于氣液兩相流時的4種流型，如圖3所示。

圖3 拍攝到的氣液兩相流流型Fig.3 The gas-liquid two-phase flow pattern is captured

與圖2中經(jīng)典流型相比，除一種流型差別較大外，其余3種流型基本保持一致。將差別較大的流型稱之為泡沫流，即將氣液兩相流流型稱為：泡狀流、彈狀流、泡沫流、環(huán)狀流，各流型的主要特征如下：

1）泡狀流。該流型通常出現(xiàn)在氣體流速VG小于0.88 m/s時，主要表現(xiàn)為液相中分布著大小不一的氣泡，使氣相變成分散相，液相為連續(xù)相。

2）彈狀流。該流型中氣泡的直徑與提升管管徑相近，形狀與子彈頭相似，尾部有大量小氣泡伴隨。氣相仍為離散相，液相為連續(xù)相，彈狀氣泡與液相之間呈現(xiàn)出周期性變化。在彈狀氣泡快速上升過程中出現(xiàn)下降液膜，且有少量小氣泡被包裹在液膜中。

3）泡沫流。該流型中氣液兩相運動劇烈且混合湍動快速上升。剛開始?xì)馀莸淖冃伪容^劇烈，隨后出現(xiàn)大量的小氣泡，且小氣泡的形狀和大小基本保持一致，如同泡沫。上升和下降運動的液膜同時存在，但隨著氣相流速的逐漸增大，液膜的下降運動時間相對減少。

4）環(huán)狀流。該流型中氣相沿氣力提升管中心部分向上運動，在管壁附近形成大量小氣泡，同時夾帶絲狀等不規(guī)則形狀的液膜，氣液兩相由離散變成基本連續(xù)，且只存在上升運動的液膜。

4種流型中，泡狀流和彈狀流的特征與經(jīng)典流型中的特征基本吻合，其中泡沫流與攪拌流差別最大，經(jīng)典流型攪拌流中的氣泡形狀比較不規(guī)則，出現(xiàn)混亂狀態(tài)，流型的形態(tài)變化較多，而在本實驗中呈現(xiàn)出的泡沫流，氣泡的主要特征為形狀和大小基本一樣的小氣泡。環(huán)狀流與經(jīng)典流型相比也有一定的區(qū)別，主要表現(xiàn)為吸附在氣力提升管管壁上的液相厚度上。這可能是由于氣力提升裝置中是以壓縮空氣作為氣相，而經(jīng)過提升泵的混合作用，氣相與液相的碰撞瞬間變得更加劇烈，故而導(dǎo)致了這種差異。

對氣液兩相流中各流型隨淹沒率和氣相流速的變化規(guī)律進(jìn)行分析，可以得到如圖4所示的氣液兩相流流型轉(zhuǎn)變圖，圖中橫坐標(biāo)為淹沒率，縱坐標(biāo)為氣相流速。

圖4 兩相流流型轉(zhuǎn)變圖Fig.4 Flow pattern transition of two-phase flow

從圖4中可以看出，在相同淹沒率下，氣相流速是影響流型的主要因素之一。隨著氣相流速的增大，流型的轉(zhuǎn)變順序依次為：泡狀流、彈狀流、泡沫流和環(huán)狀流。當(dāng)氣相流速相同時，淹沒率對泡狀流和彈狀流的影響很少，幾乎可以忽略。但當(dāng)淹沒率達(dá)到0.5以上，氣相流速達(dá)到6.19 m/s時，便會觸發(fā)泡沫流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。

3.2 氣液固三相流流型

從已有的研究中可以得知，管內(nèi)三相流流型的變化現(xiàn)象并不是隨機出現(xiàn)，在相同的工況條件下，管內(nèi)的流型現(xiàn)象具有可重復(fù)性，故需對流型進(jìn)行歸分[11-12]。

由于固體顆粒的加入，使得提升管內(nèi)的流型發(fā)生變化。以經(jīng)典兩相流流型特征作為參考，對氣相、固相和液相的混合流動特征進(jìn)行分析，從而劃分氣液固三相流流型，并歸分為5種流型（如圖5所示），各流型的主要特征如下。

1）彈旋流。該流型的特征與氣液兩相流中的彈狀流比較相似，均呈現(xiàn)出直徑接近氣力提升管內(nèi)徑的子彈狀氣泡，尾部也伴隨著大量小氣泡，且運動軌跡為旋轉(zhuǎn)上升，故名彈旋流。相鄰子彈狀氣泡之間存在穩(wěn)定的液相段。管壁上附著有包裹小氣泡和固體顆粒的下降液膜，且液膜中出現(xiàn)懸停的固體顆粒。

2）旋渦流。該流型中前端攜帶著固體顆粒和小氣泡作旋渦狀旋轉(zhuǎn)，尾端作類似于“S”形旋轉(zhuǎn)上升運動，故名旋渦流[13]。氣液固三相互為分散相，穩(wěn)定的液相段已經(jīng)不存在，仍舊有包裹小氣泡和固體顆粒的下降液膜且液膜中出現(xiàn)懸停的固體顆粒。

3）波浪流。該流型中前端以液絲的形式均勻分布在氣力提升管內(nèi)，尾端拖曳著小氣泡和固體顆粒，在管內(nèi)做類似于波浪的上升運動，故名波浪流。氣液兩相開始變得基本連續(xù)，固相較為分散，且只出現(xiàn)上升液膜。

4）聚泡流。該流型中類似于氣液兩相流中的泡沫流，管內(nèi)出現(xiàn)大量小氣泡聚集，大量固體顆粒被包裹在聚集氣泡中，故名聚泡流。

5）環(huán)柱流。該流型中氣相在氣力提升管中間發(fā)生聚合，形狀與柱體狀相似，管壁上形成上升液膜，其向上速度比中心部分較慢，且攜帶固體顆粒和小氣泡或不規(guī)則形狀氣泡一起向上運動，故名環(huán)柱流。當(dāng)淹沒率為γ=0.6、氣相流速為VG=19.46 m/s時，會出現(xiàn)圖5f中的半環(huán)情況，因其特征與環(huán)柱流基本相同，故都統(tǒng)歸為環(huán)柱流。

圖5 拍攝到的氣液固三相流流型Fig.5 Gas-liquid-solid three-phase flow pattern captured

對氣液固三相流中各流型隨氣相流速和淹沒率的變化規(guī)律進(jìn)行分析，可以得到如圖6所示的氣液固三相流流型轉(zhuǎn)變圖，圖中縱坐標(biāo)為氣相流速，橫坐標(biāo)為淹沒率。

圖6 三相流流型轉(zhuǎn)變圖Fig.6 Flow pattern transition of three-phase flow

由圖6所示三相流流型轉(zhuǎn)變圖中可以看出，當(dāng)淹沒率為0.4,0.5且氣相流速為0.88 m/s時，未出現(xiàn)包含固體顆粒的流型，可以認(rèn)為固體顆粒沒能被提升；而當(dāng)淹沒率為0.6、氣相流速為0.88 m/s時，才會出現(xiàn)拖曳固體顆粒的彈旋流，說明此時的氣相流速是該淹沒率下提升固體顆粒的臨界值。出現(xiàn)這一結(jié)果可能有兩個方面的原因：一是淹沒率的增大，引起了氣力泵的混合作用加大，從而使得氣相動能與液相之間的能量轉(zhuǎn)化得到提高，對固體顆粒形成的拖曳力恰好與固體顆粒的重力相近。再加上此時的流型為彈旋流，而彈旋流中大氣泡即子彈狀氣泡的直徑與氣力提升管的內(nèi)徑大小相當(dāng)。這種子彈狀大氣泡一旦向上運動便會在其尾部形成較大的負(fù)壓，固體顆粒在重力與拖曳力相近的情況下很容易跟隨液相一起被吸入其中，最終使得液相和固體顆粒依靠拖曳力和負(fù)壓一起開始向上運動，直至被提升出管口。二是當(dāng)淹沒率為0.6時，液面到提升管管口的距離相比淹沒率為0.4,0.5時的要短，勢必會增大提升管管口的壓力，氣相在與液相發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的過程中，會在壓力的作用下出現(xiàn)極短的等待時間，直到氣相壓力與管口壓力達(dá)到平衡，之后便以氣泡的形式向上運動。而在這段等待時間內(nèi)，氣相會將自身部分能量傳遞給固體顆粒，使固體顆粒恰好能夠隨著液相一起向上運動，從而形成臨界提升效果。

3.3 流型轉(zhuǎn)變分析

當(dāng)氣力提升管處于氣液兩相流時，在淹沒率相同的情況下，隨著氣相流速的逐漸增大，流型開始由泡狀流、彈狀流、泡沫流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。在氣相流速較低時，氣液兩相混合過程中基本不會發(fā)生碰撞。其原因是液相會在與氣相接觸的表面間存在著分子作用力，即表面張力。而因此時氣相的流速不是很大，其本身所具有的能量還不足以打破液相分子之間的表面張力，導(dǎo)致形成的小氣泡分布在液相中，即為泡狀流。當(dāng)加大氣相流速時，雖然氣相所具有的能量得到了提高，但是仍舊不具備破壞分子間表面張力的能力，與此同時，小氣泡的數(shù)量開始增多，大多數(shù)小氣泡會在表面張力的作用下發(fā)生融合，從而形成子彈狀大氣泡往上升，在這個過程中會有少量氣泡沒能融合在一起，導(dǎo)致子彈狀氣泡的尾部跟隨著一些小氣泡，呈現(xiàn)出彈狀流現(xiàn)象。當(dāng)氣相流速進(jìn)一步增大，此時的氣相與液相在混合時會發(fā)生劇烈碰撞，碰撞瞬間所釋放的能量[14]遠(yuǎn)超過表面張力，使得部分氣泡發(fā)生嚴(yán)重變形，大部分形成具有一定能量的小氣泡。而這些小氣泡會依靠自身具有的能量形成小氣泡群提升現(xiàn)象，即泡沫流，當(dāng)氣相流速不斷增大到氣相與液相還沒來得及充分混合時，就迅速分離。此時，氣相會在氣力提升管中心部分形成氣相柱，而氣相柱與附近接觸部分發(fā)生劇烈摩擦，會使液相形成絲狀，管壁附近的各相運動速度比中心區(qū)域的低，使其出現(xiàn)類似于環(huán)狀的特征，即環(huán)狀流。

而在氣力提升管處于氣液固三相流時，流型則依次從彈旋流、旋渦流、波浪流、聚泡流到環(huán)柱流轉(zhuǎn)變。以淹沒率為0.6時，不同氣相流速下氣液固三相流的流型轉(zhuǎn)變進(jìn)行分析。當(dāng)保持淹沒率為0.6，低氣相流速時，此時氣力提升管內(nèi)的壓力比淹沒率為0.4和0.5工況下的高，氣液接觸面間還存在著表面張力，且固體顆粒的提升量不多。雖然氣相流速低所具有的能量也低，但形成小氣泡的數(shù)量較多。這些小氣泡會在液相分子間表面張力和壓力的作用下不斷發(fā)生碰撞與融合，大部分小氣泡開始融合在一起形成了子彈狀大氣泡，小部分小氣泡則跟隨在子彈狀氣泡尾部。在提升過程中，當(dāng)子彈狀氣泡向上運動時，便會在氣泡尾部形成負(fù)壓，造成子彈狀氣泡尾部會被各相迅速補充。因固體顆粒的存在，在補充過程中可以看到碰撞時形成的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即彈旋流現(xiàn)象。當(dāng)增大氣相流速，固體顆粒的提升量增多，氣相由于三相之間的混合程度加大，而以小氣泡的形式分散在液相中，并出現(xiàn)了向上轉(zhuǎn)動的旋渦，在這過程中部分氣泡形狀也變得不規(guī)則，旋渦頭部攜帶較多的固體顆粒，其提升速度較快，尾部的氣液固三相部分會作“S”形狀旋轉(zhuǎn)著接上，形成旋渦流現(xiàn)象。當(dāng)氣相流速進(jìn)一步增大，氣液固三相混合程度繼續(xù)加大，三相混合較均勻，此時的液相會在氣相的作用下產(chǎn)生猶如波浪的現(xiàn)象，固體顆粒會在尾端被拖曳著向上提升，即波浪流現(xiàn)象。當(dāng)繼續(xù)增加氣相流速時，三相混合變得更為劇烈，氣相開始在提升管內(nèi)形成大量的小氣泡，使得三相分布接近均勻，即為聚泡流現(xiàn)象。當(dāng)氣相流速保持進(jìn)一步增大時，氣相會因提升管內(nèi)的提升速度過快，而集中在提升管中心部分形成氣柱，且氣柱會在提升管管壁附近形成邊界層，氣相對固相、液相間的向上推力較大，固體顆粒主要集中在邊界層提升，液相在這個過程中也會出現(xiàn)絲狀或不規(guī)則的形狀當(dāng)氣相流速再繼續(xù)增加時，就會出現(xiàn)圖5f中只有半環(huán)的情況，即為環(huán)柱流。

4 結(jié)語

本文借助搭建的小型室內(nèi)氣力提升裝置，以壓縮空氣、水和麥飯石陶瓷顆粒作介質(zhì)，采用高速攝像技術(shù)對氣力提升管內(nèi)的氣液兩相流流型及氣液固三相流流型進(jìn)行了可視化的識別實驗研究。通過對不同淹沒率和氣相流速下的實驗結(jié)果進(jìn)行分析表明，高速攝像技術(shù)能有效地對氣力提升管內(nèi)的流型進(jìn)行識別。在氣力提升管處于氣液兩相流時，可以觀察到4種流型：泡狀流、彈狀流、泡沫流和環(huán)狀流。而在氣力提升管處于氣液固三相流時，可以觀察到5種流型：彈旋流、旋渦流、波浪流、聚泡流和環(huán)柱流。此外，課題組獲取了固體顆粒在淹沒率為0.6時的臨界提升氣相速度。

[1]楊 林，唐川林，張鳳華.地下礦產(chǎn)鉆孔水力開采技術(shù)及其應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報，2006，2(4)：662-665.YANG Lin，TANG Chuanlin，ZHANG Fenghua.The Technology of Hydraulic Borehole for Underground Mining and Its Application[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(4)：662-665.

[2]唐川林，胡 東，楊 林.氣舉工作特性的實驗與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2008，33(3)：347-352.TANG Chuanlin，HU Dong，YANG Lin.Experimental and Application of the Air-Lift Performance[J].Journal of China Coal Society，2008，33(3)：347-352.

[3]胡 東，唐川林，張鳳華，等.鉆孔水力開采用氣力提升裝置模型的建立及實驗研究[J].煤炭學(xué)報，2012，37(3)：522-527.HU Dong，TANG Chuanlin，ZHANG Fenghua，et al.Theoretical Model and Experimental Research of Airlift Device in Borehole Hydraulic Jet Mining[J]Journal of China Coal Society，2012，37(3)：522-527.

[4]胡 東，王曉川，唐川林，等.氣力提升理論模型建立及驗證[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2016，30(5)：1074-1081.HU Dong，WANG Xiaochuan，TANG Chuanlin，et al.Modeling and Validation of an Airlift Lifting System[J]Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2016，30(5)：1074-1081.

[5]KASSAB S Z，KANDIL H A，WARDA H A，et al.Air-Lift Pumps Characteristics Under Two-Phase Flow Conditions[J].International Journal of Heat & Fluid Flow，2009，30(1)：88-98.

[6]CHARALAMPOS T M，ELEFTHERIOS G K.Two-Phase Flow Pattern Transitions of Short Airlift Pumps[J].Journal of Hydraulic Research，2010，48(5)：680-685.

[7]YOON C H，PARK Y C，LEE D K，et al.Numerical Analysis of Solid-Liquid-Air Three-Fluid Transient Flow for Air Lift System[C]//Proceedings of the Fourteenth Inernational Offshore and Polar Engineering Conference.Toulon：[s.n.]，2004：23-28.

[8]KUMAR S，SRINIVASULU N，MUNSHI P，et al.Flow Regime Transition Identification in Three Phase Co-Current Bubble Columns[J].Canadian Journal of Chemical Engineering，2013，91(3)：516-523.

[9]GUET S，OOMS G，OLIEMANS R V A.Influence of Bubble Size on the Transition from Low-Re Bubbly Flow to Slug Flow in a Vertical Pipe[J].Experimental Thermal & Fluid Science，2002，26(6/7)：635-641.

[10]CHARALAMPOS T M，ELEFTHERIOS G K.Two-Phase Flow Pattern Transitions of Short Airlift Pumps[J].Journal of Hydraulic Research，2010，48(5)：680-685.

[11]ANIL M，AGARWAL V K，ALAM M S，et al.CFD Modeling of Three-Phase Bubble Column：1.Study of Flow Pattern[J].Chemical & Biochemical Engineering Quarterly，2007，21(3)：197-205.

[12]DíEZ L，RAUH C，DELGADO A.Improvement of Three-Phase Flow Numerical Simulations by Means of Novel Hybrid Methods[J].Advanced Powder Technology，2011，22(2)：277-283.

[13]邱耀德，羅彬文，彭 高.水平突變管內(nèi)流動形態(tài)的數(shù)值模擬[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，29(1)：48-51.QIU Yaode，LUO Binwen，PENG Gao.The Numerical Simulation of Flow Pattern in Horizontal Mutation Pipe[J].Journal of Hunan University of Technology，2015，29(1)：48-51.

[14]張鳳華，徐俊超，唐川林，等.壅塞管直徑對壅塞空化器空化特性的影響[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，27(5)：24-27.ZHANG Fenghua，XU Junchao，TANG Chuanlin，et al.Effect of Choke Pipe Diameter on the Cavitation Characteristics of Chocking Cavitator[J].Journal of Hunan University of Technology，2013，27(5)：24-27.