空氣射流動(dòng)力學(xué)特征與沖沙作用試驗(yàn)研究

沈南北，繳 健，龔 政，羅小峰

(1.河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

河口、水庫、水閘、湖泊、河道主槽泥沙局部淤積問題普遍存在[1-5]，給生產(chǎn)生活帶來了巨大的不利影響。針對泥沙局部淤積問題，國內(nèi)外學(xué)者做過廣泛研究，但傳統(tǒng)機(jī)械清淤措施的成本較高，擋潮閘下[6]與水庫回水末端[7]等局部位置的淤積采用常規(guī)疏浚技術(shù)難以實(shí)施，且常規(guī)的泄水沖沙措施效率較低。

水流的挾沙力依靠水流紊動(dòng)，其強(qiáng)度取決于主流流速分布的不均勻程度。因此，傳統(tǒng)的天然水流挾沙輸沙的能效不高，國內(nèi)外學(xué)者提出可以通過水射流增強(qiáng)水流局部紊動(dòng)來緩解局部淤積問題[8-10]，通過大規(guī)模的室內(nèi)試驗(yàn)，以最大沖深、沖坑半徑為特征參數(shù)，建立了水下湍流射流運(yùn)動(dòng)沖刷剖面的預(yù)測方程[11]。相比水射流，空氣射流同樣可以起動(dòng)并挾帶底沙，然而，由于氣泡上升速度大于粗沙沉降速度[12]，水體能夠挾帶的沙量更多，因此，羅勇等[12]提出了氣動(dòng)沖沙方法。基于氣動(dòng)輔助裝置的黃河原型沙起動(dòng)與輸運(yùn)水槽試驗(yàn)研究，證明了氣動(dòng)沖沙減淤效果明顯[13]。此外，通過射流沖淤的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，在相同條件下氣動(dòng)沖沙的效率優(yōu)于水射流沖沙[14]。總體而言，目前在氣體射流沖沙的研究中，對羽流發(fā)展規(guī)律及其形狀特征、紊動(dòng)水流結(jié)構(gòu)，以及其對沖沙規(guī)律、挾沙能力等方面的認(rèn)識還不夠深入。因此，本文分別開展氣體射流清水試驗(yàn)與氣動(dòng)沖沙渾水試驗(yàn)，利用水下排氣沖擊細(xì)顆粒床沙，對氣體射流的動(dòng)力學(xué)特征與沖沙作用進(jìn)行水槽試驗(yàn)研究，為氣動(dòng)沖沙技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1(a)所示為試驗(yàn)水槽，總長15.0 m，寬0.7 m，深1.5 m。空氣射流發(fā)生裝置由空氣壓縮機(jī)、排氣設(shè)備組成，空氣壓縮機(jī)出口處依次連接有控制閥、調(diào)壓閥、氣壓計(jì)和流量計(jì)，可調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)排氣壓力。槽內(nèi)噴嘴水平向和垂向均位于沖沙區(qū)域正中，垂向通過調(diào)節(jié)螺栓上下移動(dòng)管身，以改變噴嘴至槽底高度。如圖1(b)所示，排氣設(shè)備由連接結(jié)構(gòu)、壓重、滑槽、管身和噴嘴組成，噴嘴處可拆卸，以調(diào)整排氣角度與更換噴嘴孔徑?？諝鈮嚎s機(jī)排氣壓力為0.8 MPa，容積流量為1.1 m3/min。

圖1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用原型沙，鋪設(shè)厚度約為30 cm，其中值粒徑為0.041 mm，泥沙級配曲線見圖2。為確保每次試驗(yàn)鋪沙密實(shí)程度相同，每次試驗(yàn)測量結(jié)束后將沖淤區(qū)域內(nèi)的剩余泥沙重新攪動(dòng)，并鋪上提前浸泡過的原型沙，再進(jìn)行相同的壓實(shí)工作。

圖2 泥沙級配曲線

1.2 量測方法

利用測量裝置量測沖刷后的地形，測量設(shè)備主要由連接結(jié)構(gòu)、滑槽、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和測針?biāo)牟糠纸M成。連接結(jié)構(gòu)架立于水槽之上，布置時(shí)注意保證裝置整體與地面垂直；滑槽由上下兩部分組成，下滑槽安裝在連接結(jié)構(gòu)之上，上滑槽安裝在下滑槽之上，可沿上下游方向滑動(dòng)，安裝有滑塊及手旋擰緊結(jié)構(gòu)；調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)安裝于上滑槽之上，可垂直上下游滑動(dòng)；連接讀數(shù)尺和測針，可手動(dòng)調(diào)節(jié)測針高度；測針連接在調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)上，長約1.0 m，可測量沖刷坑地形，精確度在±3.0 mm以內(nèi)。利用測針測量沖刷坑最大深度，并逐斷面測量沖刷深度，利用Surfer軟件生成沖刷地形圖，計(jì)算沖刷坑體積，對氣動(dòng)沖沙效果進(jìn)行評估。

1.3 試驗(yàn)方案

采用正交試驗(yàn)法，根據(jù)正交性挑選出部分有代表性的因素和水平進(jìn)行組合試驗(yàn)，具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)[15]。在空氣射流清水試驗(yàn)中，重點(diǎn)考察噴嘴至槽底距離(即噴嘴高程與床沙表面高程之差，當(dāng)噴嘴伸入床沙中，噴嘴至槽底距離為負(fù)值。以下簡稱為距離)、排氣氣壓、水深、噴嘴孔徑及排氣角度等5個(gè)因素對羽流下切長度的影響，前4個(gè)因素包含4個(gè)水平，排氣角度因素包含2個(gè)水平?；旌险辉囼?yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 清水排氣正交試驗(yàn)組合和試驗(yàn)結(jié)果

在氣動(dòng)沖沙渾水試驗(yàn)中，研究了以上5個(gè)因素對沖刷坑最大深度與體積的影響，前4個(gè)因素包含4個(gè)水平，排氣角度因素包含2個(gè)水平，混合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 氣動(dòng)沖沙正交試驗(yàn)組合和試驗(yàn)結(jié)果

2 空氣射流清水試驗(yàn)結(jié)果與分析

為探究空氣射流噴嘴處局部水體紊動(dòng)特性，開展了無泥沙條件下的靜水水槽試驗(yàn)，研究水下排氣過程中氣泡運(yùn)動(dòng)過程、羽流形態(tài)特征及局部紊動(dòng)水體水流結(jié)構(gòu)。

2.1 羽流發(fā)展階段

噴嘴垂直向下排氣時(shí)，羽流在水體中的運(yùn)動(dòng)過程見圖3，包括如下4個(gè)階段：①形成階段。氣體排出，羽流開始下切，氣泡密集且細(xì)小。②發(fā)展階段。在初始動(dòng)量的作用下，羽流不斷向下延伸，下切長度和徑向尺寸逐漸增大，將周圍的水體不斷卷吸進(jìn)來，此時(shí)附近水體的紊動(dòng)加強(qiáng)。③上浮階段。當(dāng)離開噴口的氣體動(dòng)量消耗完后，羽流下切長度達(dá)到最大，軸向上不再下切，氣體在浮力的作用下開始向上運(yùn)動(dòng)，環(huán)境壓力隨羽流上升而逐漸降低，羽流體積逐漸增大。④擴(kuò)散階段。當(dāng)氣泡羽流上升至水面附近時(shí)，羽流轉(zhuǎn)向水平方向流動(dòng)，形成具有垂向速度梯度的表面流區(qū)；氣體上浮至水面時(shí)，氣體與表層水相互作用，氣泡疏散且以溢出點(diǎn)為中心向四周拓展，形成倒立的錐形羽流結(jié)構(gòu)。

圖3 噴嘴垂直向下排氣時(shí)羽流運(yùn)動(dòng)過程

噴嘴45°斜向下排氣時(shí)，氣體在水體中的運(yùn)動(dòng)過程也同樣經(jīng)歷了形成、發(fā)展、上浮和擴(kuò)散階段。與90°排氣不同的是，45°排氣時(shí)氣體的上升在羽流發(fā)展階段已經(jīng)出現(xiàn)，并且在羽流充分發(fā)展后，45°排氣的羽流體積遠(yuǎn)大于90°排氣，見圖4。

圖4 不同角度排氣時(shí)羽流運(yùn)動(dòng)過程對比

2.2 羽流下切長度影響因素

采用信噪比分析法判定下切長度的主要影響因素。信噪比分析是處理正交試驗(yàn)結(jié)果的常用方法，采用信噪比度量試驗(yàn)過程的穩(wěn)健性，通過優(yōu)化無法控制的因素(如噪聲)降低試驗(yàn)誤差[16]。計(jì)算得出下切長度信噪比響應(yīng)如表3所示。Delta值等于該因素水平的最高平均響應(yīng)值減去最低響應(yīng)值，按照Delta值從高到低排序，將Delta值最高的因素分配排秩為1，依此類推。

表3 各因素下切長度信噪比響應(yīng)

通過信噪比分析可以得到影響下切長度5個(gè)因素(距離、排氣氣壓、水深、噴嘴孔徑、排氣角度)的Delta值分別為0.65、6.72、0.93、0.46和2.47，可以看到，排氣氣壓信噪比的Delta值最大，排秩為1，是影響下切長度最顯著的因素；排氣角度信噪比的Delta值次之，排秩為2，是影響下切長度次顯著的因素；距離、水深和噴嘴孔徑這3個(gè)因素對下切長度的影響不顯著。

利用多項(xiàng)式回歸，擬合出下切長度L的回歸方程：

L=-0.832 14-2.5A+0.036 75B+

0.75C+0.707 14D+0.091 67E

(1)

式中：A為距離；B為排氣氣壓；C為水深；D為噴嘴孔徑；E為排氣角度。該方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.95，表明回歸效果較好?？梢钥吹剑嚯x因素的系數(shù)為負(fù)，表明隨著距離的增大，下切長度降低；其他因素的系數(shù)為正。

2.3 噴嘴處局部水體的紊動(dòng)強(qiáng)度特征

靜水中射入垂直向下的空氣射流，會(huì)對靜水水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部擾動(dòng)。x為自噴嘴軸線的水平向距離，取20～60 cm；y為自噴嘴的垂向距離，向下為正，取3～5 cm；h為噴嘴至槽底距離，取3～5 cm。根據(jù)量綱統(tǒng)一原理構(gòu)建無量綱數(shù)x/h與y/h。噴嘴垂直向下時(shí)3種不同排氣氣壓下的空氣射流卷吸、裹挾周圍水體產(chǎn)生的局部紊動(dòng)強(qiáng)度(水平向和垂向計(jì)算合成值)見圖5。結(jié)果表明，斷面局部紊動(dòng)強(qiáng)度隨空氣射流壓強(qiáng)p的增大而增大，致紊效果較為顯著，但在遠(yuǎn)離噴嘴處水體紊動(dòng)強(qiáng)度較弱，即射流引起的水流紊動(dòng)沿橫向迅速衰減，表現(xiàn)出空氣射流對提高水流輸沙能力僅具有局部效應(yīng)；另一方面，射流沖擊槽底形成近底部較強(qiáng)的水流紊動(dòng)，若槽底為床沙，可以卷吸起動(dòng)大量底沙。

圖5 射流局部紊動(dòng)強(qiáng)度變化

圖6 射流底部紊動(dòng)切應(yīng)力

圖7為相同試驗(yàn)條件下射流局部紊動(dòng)能隨壓強(qiáng)和水平距離的變化，圖中km為水平斷面平均紊動(dòng)能，kmax為斷面最大紊動(dòng)能。平均紊動(dòng)能k為表征某點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)弱的物理量，定義如下：

圖7 水平斷面平均紊動(dòng)能的衰減

(2)

動(dòng)能測量結(jié)果同樣表明，空氣射流引起的紊動(dòng)隨距離迅速衰減，但當(dāng)自噴嘴軸線的水平向距離與噴嘴至槽底距離之比較大時(shí)(x/h>4)，超出了下切羽流沖擊槽底反射作用范圍，并沒有表現(xiàn)出如圖6所示的先上升后下降的趨勢，因此空氣射流只能對水體造成局部紊動(dòng)。

3 氣動(dòng)沖沙渾水試驗(yàn)結(jié)果與分析

為探究空氣射流的沖沙能力，開展了有床沙條件下的靜水水槽試驗(yàn)，研究各水-氣參數(shù)對沖沙效果的影響，得出沖刷坑最大沖刷深度和沖刷坑體積與各因素之間的預(yù)測方程，并通過對方程進(jìn)行優(yōu)化，得出了最大沖沙效果時(shí)各因素的水平。

3.1 沖刷坑發(fā)展過程

在水深為75 cm、噴嘴孔徑為2 mm、排氣氣壓為0.3 MPa、距離為1 cm、排氣角度為90°的水氣參數(shù)條件下，分別進(jìn)行排氣0.5 min、2 min、4 min、8 min和12 min這5組試驗(yàn)。不同排氣時(shí)間下的沖刷坑最大深度與體積見圖8。

圖8 沖刷坑最大深度與體積隨排氣時(shí)間變化曲線

沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明，沖刷坑的最大深度在2 min之前大幅增加，沖刷坑縱向拓展迅速，在2～4 min時(shí)增幅減緩，4～8 min后最大深度變化開始趨于穩(wěn)定，在8 min后基本穩(wěn)定在10 cm左右，達(dá)到了該工況下沖刷的最大深度。同時(shí)可以看出沖刷坑的體積在4 min之前有大幅增加，結(jié)合沖刷坑深度隨時(shí)間變化曲線可以看出在2～4 min時(shí)沖刷坑主要是橫向拓展。根據(jù)清水排氣試驗(yàn)時(shí)所得的結(jié)論，此時(shí)接近噴嘴處的氣體壓力較大，氣泡小且密集，可能是氣體摻混水體對泥沙產(chǎn)生了直接作用；當(dāng)氣泡發(fā)展后，氣體的壓力減小，羽流的徑向和軸向開始發(fā)展，將周圍的水體卷吸進(jìn)來，加強(qiáng)了附近水體的紊動(dòng)，水體挾沙的能力得到了大幅提高，沖刷能力相對前一階段也得到了增強(qiáng)，因此體積增大的幅度在不斷加大。在接近4 min時(shí)，沖刷坑體積已經(jīng)顯著擴(kuò)大，水體作用到?jīng)_刷坑表面的紊動(dòng)強(qiáng)度大幅削弱，沖刷效果開始減弱，體積增大的趨勢開始減緩。在8 min后沖刷坑的體積趨于穩(wěn)定，基本達(dá)到了紊動(dòng)水體的最大影響范圍。可以認(rèn)為，當(dāng)其他因素變幅不大時(shí)，排氣的前8 min是沖刷的有效時(shí)段。

因此，氣動(dòng)沖沙的沖刷坑發(fā)展過程可概括為以下3個(gè)階段：①形成階段。在開始排氣的瞬間，床沙表面變?yōu)椴贿B續(xù)的水沙混合，隨氣泡向上輸運(yùn)，此階段的沖刷坑體積與深度急劇增大。②發(fā)展階段。隨著沖刷坑深度與體積的增加，下切羽流的動(dòng)量急劇衰減，此階段起動(dòng)底沙的主要驅(qū)動(dòng)是空氣射流卷吸附近水體產(chǎn)生局部的強(qiáng)烈紊動(dòng)，多數(shù)揚(yáng)起的泥沙沖至沖刷坑外，此階段的沖刷坑深度與體積增長趨勢仍較為顯著。③穩(wěn)定狀態(tài)。隨著排氣時(shí)間的增加，沖刷坑的深度與體積基本穩(wěn)定，坑內(nèi)基本無泥沙揚(yáng)起和下落。這是由于下切羽流引起的紊動(dòng)隨著自噴嘴距離的增大迅速衰減，當(dāng)紊動(dòng)水體邊界處流速小于泥沙起動(dòng)流速時(shí)，該處床沙不會(huì)起動(dòng)。在實(shí)際的清淤工程中，當(dāng)沖沙坑達(dá)到該工況下的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)排氣不會(huì)增強(qiáng)清淤效果。

3.2 沖刷坑影響因素

采用方差分析法[17]對表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。一般來說，由于不同組之間試驗(yàn)條件的差異，導(dǎo)致組間差異遠(yuǎn)大于組內(nèi)差異，將兩者比值與顯著性檢驗(yàn)水平F值進(jìn)行判斷比較，如果F值遠(yuǎn)大于1，則說明試驗(yàn)條件的影響顯著，同時(shí)，若再加以檢驗(yàn)水平P值進(jìn)行判斷，若P值小于0.05，則更能說明因素顯著情況。沖刷坑最大深度和體積的方差分析結(jié)果分別如表4和表5所示。

表4 沖刷坑最大深度方差分析結(jié)果

表5 沖刷坑體積方差分析結(jié)果

通過沖刷坑最大深度方差分析可以得出標(biāo)準(zhǔn)差為0.319 5，相關(guān)系數(shù)為99.89%，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)(用于比較不同數(shù)量預(yù)測變量的符合程度)為99.16%，預(yù)測的相關(guān)系數(shù)(用于描述預(yù)測結(jié)果的符合程度)為92.81%。從表4可知，排氣氣壓和距離的F值分別為382.21和188.09，均遠(yuǎn)大于1，同時(shí)P值遠(yuǎn)小于0.05，表明這2個(gè)因素為顯著效應(yīng)因素；而水深的P值接近0.05，其影響程度要小得多，但噴嘴孔徑和排氣角度的P值均大于0.05，屬于影響不顯著的因素。可以看出，在小水深條件下，影響沖刷坑最大深度的顯著因素分別為排氣氣壓與距離，而水深、噴嘴孔徑、排氣角度這3個(gè)因素對沖坑深度的影響較弱。

通過沖刷坑體積方差分析可以得出標(biāo)準(zhǔn)差為443.356，相關(guān)系數(shù)為99.20%，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)為93.99%，預(yù)測的相關(guān)系數(shù)為98.74%。從表5可知，在小水深條件下，氣壓和距離同樣是影響沖刷坑體積的顯著因素。

3.3 氣動(dòng)沖沙公式擬合與預(yù)測

方差分析法還可以得出沖刷坑最大深度和體積與各因素之間的預(yù)測方程。定義沖刷坑最大深度為Hmax、沖刷坑體積為V，利用多項(xiàng)式回歸，通過方差分析得到了沖刷坑最大深度和體積的回歸方程：

Hmax=4.404-0.854 9A+0.024 167B+

5.473C-0.045 9D-0.000 36E

(3)

V=1 395-117.8A+6.49B+56C+

452D+10.72E

(4)

從上述方差分析可知，整個(gè)模型的相關(guān)系數(shù)、調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)和預(yù)測的相關(guān)系數(shù)均高于90%，表明模型分析結(jié)果可靠。利用式(3)(4)預(yù)測了沖刷坑最大深度和體積，并與沖沙正交設(shè)計(jì)不同水-氣參數(shù)條件下的試驗(yàn)實(shí)測值作對比，如表6和表7所示。由此可知，通過方差分析得出的回歸方程不僅可以較好地?cái)M合正交設(shè)計(jì)中沖刷坑的最大深度與體積，并且可以用來預(yù)測不同水-氣參數(shù)條件下沖刷坑的最大深度與體積，對比預(yù)測值與實(shí)測值，結(jié)果令人滿意。

表6 沖刷坑最大深度預(yù)測值與試驗(yàn)值偏差分析

表7 沖刷坑體積預(yù)測值與試驗(yàn)值偏差分析

4 結(jié) 語

本文利用水槽試驗(yàn)分別進(jìn)行了空氣射流清水試驗(yàn)與氣動(dòng)沖沙渾水試驗(yàn)。在清水試驗(yàn)中，總結(jié)并歸納出羽流發(fā)展的4個(gè)階段；通過正交試驗(yàn)信噪比分析發(fā)現(xiàn)氣壓是決定羽流下切長度的最顯著因素，擬合出羽流下切長度的回歸方程；在對排氣噴嘴處局部水體的紊動(dòng)特性研究中，得出了斷面紊動(dòng)強(qiáng)度隨空氣射流壓強(qiáng)的增大而增大，射流沖擊槽底形成近底部較強(qiáng)的水流紊動(dòng)，底部紊動(dòng)切應(yīng)力隨距離增加而迅速衰減的結(jié)論。在渾水試驗(yàn)中，總結(jié)出沖刷坑發(fā)展的3個(gè)階段，并發(fā)現(xiàn)排氣的前8min是沖刷的高效時(shí)段；通過正交試驗(yàn)方差分析發(fā)現(xiàn)排氣氣壓和噴嘴至床面距離是決定沖沙效果的顯著因素；利用多項(xiàng)式回歸，擬合出沖刷坑最大深度與體積的預(yù)測公式，預(yù)測值與實(shí)測值較為吻合。