氣動沖淤數(shù)值仿真模型研究

徐進超　丁磊　羅勇

摘要：為進一步探索氣動沖淤的作用機理和在工程實踐中的應用，進行了氣動沖淤數(shù)值仿真模型研究。采用立面二維水一沙一氣三相仿真模型，對氣動沖淤中氣體及泥沙運動特性進行了探索，并對比了氣動沖淤與水射流沖刷的優(yōu)缺點。結(jié)果表明：①采用氣動沖淤時，氣流沖擊到泥沙后向上運動，同時帶動泥沙向上運動，隨之被水流帶走。相同條件下，水射流的沖刷范圍大，但氣動沖淤的沖沙效率更高，采用氣動沖淤能達到較好的清淤效果。②氣動沖淤中，氣體流速越大，沖刷效果越明顯，沖沙率隨氣體弗勞德數(shù)的增大呈線性增大趨勢。

關鍵詞：氣動沖淤：泥沙：數(shù)值仿真模型：氣體弗勞德數(shù)

中圖分類號：TV691

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.007

氣動沖淤的設想始于20世紀70年代，最初應用于河口懸沙淤積試驗。由于用機械等辦法難以在潮水箱內(nèi)產(chǎn)生渾水，因此對潮水箱進行了改造，用通氣管通至潮水箱底，在管道上密布小孔，產(chǎn)生上升氣流，改從潮水箱抽氣為向潮水箱壓氣，一氣兩用，成功地進行了潮汐河口懸沙淤積試驗[1]。氣動沖淤作為一項新技術，沖沙效率較高，且更為經(jīng)濟、清潔，對常規(guī)水力沖刷方式中難以起動的細顆粒泥沙，沖淤效果顯著，受到了科技界的關注[2]。

氣動沖淤過程是向河底加入空氣而形成氣、水、沙的聯(lián)合運動過程，是介于空氣動力學、水動力學和固體力學三者的邊緣學科，因其涉及學科面廣、影響因素較多，故研究難度較大。羅肇森等[1]采用比尺為1：1的物理模型，對氣動沖淤中的氣泡運動特性、沖刷效率及沖淤管道的布置方式等進行了試驗研究：羅勇等[3-4]結(jié)合我國黃河流域、河口等區(qū)域泥沙淤積量大、小粒徑泥沙清淤困難的特點，對氣動沖淤在工程實踐中的應用進行了有益的探索。本文采用數(shù)值仿真模型對物理模型試驗進行研究，以期對氣動沖淤機理研究和工程應用起到參考和借鑒作用。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

基于Fluent軟件，選用歐拉多相流法[5]對氣動沖淤機理進行分析。水、沙、氣相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)，各組分的體積分數(shù)用α表示。體積分數(shù)代表了每相所占據(jù)的空間，每一相獨自地滿足質(zhì)量和動量

Chen X等[5.10]利用該模型，對凈淤積、凈沖刷和平衡輸沙情形下的流速和含沙量做了大量驗證工作，結(jié)果表明計算值與實測值有較好的一致性。

1.3 研究方案

考慮到計算機硬件條件及模擬精度的要求，采用立面二維模型研究氣動沖淤效果。選取長1 m、深0.3m的一個矩形渠道，渠道中間有一個高0.2 m、寬0.4 m的沉沙池，沉沙池底部的中間設置兩個高0.002 m的氣流速度進口，進口的法向方向與渠道方向平行，見圖1。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，分不同區(qū)域采用不同尺寸。其中：沉沙池中采用0.001 m的網(wǎng)格，矩形渠道中最大網(wǎng)格為0.005 m，見圖2。

初始狀態(tài)下，沉沙池中均為泥沙，渠道中為水，見圖3。待水流計算穩(wěn)定后，速度進口2和速度進口3開始充氣并計算。泥沙選用貴港樞紐附近的泥沙，中值粒徑dso= 0.017 mm;泥沙密度為2 500 kg/m。泥沙休止角初步選定為300，根據(jù)經(jīng)驗，泥沙的孔隙率選為60%。

計算T況中，M-I為水力噴射沖沙T況，M-2 -M-IO為氣動沖淤T況。其中：M-I的水流流速和M-2 T況中的氣體流速均為5 m/s，M-3、M-4 T況的氣體流速分別為10、15 m/s，M-5 - M-7 T況速度進口1的水流速度為0.3 m/s，M-8- M-IO T況速度進口的水流速度為0.1 m/s，見表1。

紊流模型采用Standard k-ε：壓力速度耦合迭代采用SIMPLE算法求解;動量、湍流黏度、湍流動能和湍流耗散率采用二階迎風格式進行離散，體積分數(shù)用一階迎風格式離散。

2 氣動沖淤機理分析

2.1 水射流和氣動沖淤對比

對比T況M一1及M-2模擬結(jié)果可知，在相同的沖刷速度（5 m/s）下，采用水力噴射沖沙時，水射流附近沙粒最大速度為2.1 m/s，由于流體動量和密度較大，因此泥沙運動方向與孔口射流方向保持一致，沖擊到沉沙池壁面后，左半部分泥沙在水流的作用下在沉沙池內(nèi)形成縱向環(huán)流，靠近壁面的泥沙由射流帶向下游。采用氣動沖淤法時，氣流沖擊到泥沙后，受阻力和氣體浮力的影響，氣流擾動沉沙池內(nèi)泥沙并使其向上運動，沙粒相向上的最大速度為2.3 m/s，揚動的泥沙到達沉沙池上方后被水流帶向下游。圖4-圖6對比了兩種沖沙方式在不同時間泥沙的運行特性。

（l）二者均可揚動泥沙并將其帶人下游。相對于氣動沖淤，水力噴射沖沙的沖沙范圍更大，在原型中可將其布置在河道的靠岸側(cè)。采用氣動沖淤時，氣流接觸到泥沙后即改變其運動方向，使其向上運動，其影響范圍僅在出氣孔上方。

（2）因水體的密度較大，故射流在豎直方向擴散較慢，相對于氣動沖淤，泥沙不易揚動或揚動的泥沙較易沉入水下：氣動沖淤中，在氣泡浮力的作用下，泥沙揚動明顯，且氣泡最終浮出水面，泥沙可被帶至較高處，在相同的渠道流速下，揚動的泥沙能被輸送到下游更遠處。

（3）對比二者的沖沙效果可知，在矩形渠道水流速度為0.5 m/s、采用5m/s的射流流速時，7s后沉沙池內(nèi)還有部分泥沙存留，20 s時仍有部分泥沙存在于水射流產(chǎn)生的立軸環(huán)流里：若采用氣動沖淤，則盡管氣泡的作用范圍僅在噴氣管上方，但其上升的氣泡流帶動周圍的水體也向上運動，氣泡流附近的泥沙上升速度較大，7s內(nèi)沉沙池中的泥沙已絕大部分被沖走。

羅勇等[3]的研究表明，由于排氣形成上升流，水體流速增大，排氣管處的流速可比無壓縮空氣溢出時增大5-10倍。氣動沖淤與水力噴射沖沙的對比見表2，可以看出氣動沖淤法擾動泥沙強烈，具有更大的潛力。

2.2 氣流運動特性分析

為進一步分析氣流特性對泥沙的影響，對M-2-M-4 工況3種不同沖沙氣流速度的氣流場進行了分析，見圖7、圖8（Vait為氣體流速，Vater為水流速度）。由各時刻的含氣量Cait（沉沙池中氣體體積與沉沙池體積的比值）可知：

（1）在沖沙的初始時刻，氣流從噴口垂直射向沙床，在沙床的阻力作用下水平向速度迅速下降，在浮力的作用下快速浮出水面。氣流在向上運動的過程中受沙床阻力的影響，形成向上運動的挾沙氣團，揚動沉沙池中泥沙。

（2）在沖刷過程中，氣流在向上的過程中會出現(xiàn)左右搖晃的流態(tài)，加大了沉沙池中流態(tài)的紊亂程度，沖沙效率較高。

（3）在沖沙過程中，各工況下沉沙池中含氣量隨時間上下波動，總體上隨氣流速度的增大略有增大，水流速度為0.1 m/s、氣體速度分別為5、10、15 m/s時，最大含氣量Cait分別為0. 20、0.26、0.30;水流流速為0.5 m/s，氣體速度分別為5、10、15 m/s時，最大含氣量Cait分別為0.22、0.31、0.32。相同氣體速度下，水流流速越大，含氣量越大，但增幅很小，如氣流速度為15 m/s、水流速度為0.1 m/s時含氣量為0.30，僅比氣流速度為15 m/s、水流流速為0.5 m/s時的最大含氣量小0.02。

2.3 泥沙運動特性分析式中：g為重力加速度;h為氣孔特征高度，本文取0.002 m。

沖沙率隨氣體弗勞德數(shù)的變化情況見圖9。

工況M-2沉沙池泥沙體積及質(zhì)量隨沖淤時間的變化見圖10，M-2 - M-4工況沉沙池中泥沙質(zhì)量隨沖沙時間的變化見表3.由圖10及表3可知：

（1）在各沖刷流速下，靠近氣孔及氣孔上方的泥沙在氣流的作用下迅速向上揚動并被水流帶向下游。由于附近泥沙的填補，沉沙池內(nèi)沙床床面基本上保持整體下降趨勢，直至被全部沖走。

（2）在矩形渠道流速一定的條件下，氣體流速越大，沖沙效果越明顯。氣流以5 m/s的流速運行7s時，沉沙池內(nèi)絕大部分泥沙被沖走;氣流速度增至10m/s時，5.5 s即可將沉沙池內(nèi)泥沙基本沖走：氣流速度增至15 m/s后.4.5 s即可將泥沙基本沖走。3結(jié)論

（1）采用氣動沖淤時，氣流沖擊到泥沙后，受到泥沙和水體阻力以及浮力的共同作用，氣體運動方向向上，同時攪動沉沙池內(nèi)泥沙，帶動泥沙向上運動，隨之泥沙被水流帶走。對比水射流和氣體射流的沖沙效果可知，相同條件下，水射流的沖刷范圍大，但氣動沖淤的沖沙效率更高，采用氣動沖淤能達到較好的清淤效果。

（2）氣動沖淤中，氣體流速越大，沖刷效果越明顯。其沖沙率隨氣體弗勞德數(shù)的增長呈線性增大趨勢。

（3）氣動沖淤影響因素較多，水、沙、氣三相之間相互作用較為復雜，因此氣體在高含沙水流中的運動特性、氣動沖淤管道在實際工程中的布置方式等還有待進一步研究。

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