水射流強化疏浚用氣力泵提升性能的試驗研究

林 鵬，蘇子澤，胡 東，郭鵬程

（1. 湖南人文科技學院能源與機電工程學院，湖南 婁底 417000； 2. 寧波巨神制泵實業(yè)有限公司，浙江 寧波 315135；3. 西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

0 引 言

中國河流眾多，淤泥嚴重，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重，我國的年平均庫容損失率更是達到2.3%，遠高于世界平均水平［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、多相流穩(wěn)態(tài)和瞬變流動特性等方面［3-6］，鮮有人關注氣力泵底部的流動狀態(tài)。而氣力泵底部流場特性，尤其是底部淤泥進入氣力泵吸口體積流量（質量流量）的大小，對氣力泵提升性能有著至關重要的影響。

文獻［7］認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，若不事先破碎板結的淤泥，其抽吸效果極其有限。因此，現(xiàn)有清淤設備，通常需要特定的旋轉盤或者高速射流來輔助增加進口速度［8］。最原始的手段是采用炸藥，對底部泥層進行水下爆破，讓底部泥層破碎、懸浮，然而這種方法在實際使用中極不方便，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，不能對底部泥沙產生脈動作用。而自振脈沖水射流技術的出現(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)合清淤技術引入江河湖泊及農田水利系統(tǒng)的疏浚工程，重點研究脈沖水射流噴嘴個數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、倡導可持續(xù)性發(fā)展都具有廣泛的應用前景和重要的經濟戰(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，來抽吸和壓送液體或漿體的流體輸送機械［15］。氣力泵（氣力提升泵）裝置主要由空氣壓縮機、氣力泵、提升管及輔助破碎裝置構成，其工作原理和物理模型如圖1 所示，內部結構如圖2 所示。由空氣壓縮機提供壓縮氣體，經進氣口進入氣力泵環(huán)形縫隙，由于壓縮空氣經環(huán)形縫隙噴出后形成局部真空，在氣力泵底部吸口形成強大的抽吸力（若結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，與壓縮空氣進行能量交換，實現(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，庫底淤泥實現(xiàn)連續(xù)傳輸和提升。

圖2 氣力泵內部結構圖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，氣力泵內無運動部件、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。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備功效，具有獨特的優(yōu)勢。因此，脈沖水射流與氣力泵聯(lián)合疏浚技術相比傳統(tǒng)疏浚方式，優(yōu)勢明顯。疏浚裝備整體造價下降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 試驗系統(tǒng)與方法

本試驗的空壓系統(tǒng)采取2 臺瑪爾泰螺桿式M40A 空氣壓縮機，額定排氣壓力約為1.25 MPa，壓縮空氣經儲氣罐進入氣力泵內，氣體與漿料混合，通過提升管（D=100 mm）將漿料輸送至取料池。試驗水池尺寸為4.5 m×2.5 m×3.5 m，預先在池底鋪入300 mm 厚普通河沙。試驗系統(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?？刂泼姘灏l(fā)送指令，通過控制三維移動平臺來帶動氣力泵系統(tǒng)，實現(xiàn)3個方位的移動，完成平移抽沙和縱向抽沙試驗。不同試驗下的浸入率γ（γ=L3/L1）為氣力泵進氣口到水面距離L3與進氣口到出口距離L1的比值，可通過進水管及水槽底部閥門來進行調節(jié)。氣體流量由空壓機閥調節(jié)，并通過LZB-50 型氣體流量計測定，其誤差在±1.5%以內。水流量則由LZB-100F型液體流量計測量，相應最大誤差為±1.5%。

圖4 實驗裝置圖Fig.4 Experimental setup

3 試驗結果分析

3.1 噴嘴數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，揚水量JL和揚固量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)揚水量的影響不大，當噴嘴數量（N＞3）繼續(xù)增加，揚水量反而有所減小。這是由于氣體流速的改變引起了提升管內流型的變化，進而引起管內混合流體密度差、滑移比和相間傳質能力的改變，使得揚水量先增大后減小。

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，氣力泵的揚固量有巨大提升，說明，水射流噴嘴對揚固量的影響極為顯著，然而噴嘴個數（N＞3）對揚固量影響甚微。這是由于高壓泵輸入高壓水進入脈沖水射流噴嘴，形成振蕩射流，不僅對水底板結泥砂層進行疲勞損傷破壞，使之分解，還因其攪拌作用促進吸口流態(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，揚水量JL和揚固量JS均有較大提升，尤其是揚固量峰值相比無噴嘴工況提高了10倍之多。

圖7 噴嘴數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水量的影響較小，4種布置方案下，揚水量隨進氣速度的變化趨勢一致。然而，揚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，揚固量最大為方案2，其次為方案3、4，揚固量最小為方案1。方案2 和3 差距不大，但較方案4 和1，揚固量有明顯提升，且這種差距在峰值附近趨于最大，而在進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動，從而順利啟動并得到提升，因而方案2 所對應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，則會導致氣力泵吸口底部流場的脈動范圍縮小，僅作用于一側，使得系統(tǒng)的提升性能增強不明顯。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)場應用研究

團隊研制的試驗樣機是利用氣力提升技術實現(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。在試驗區(qū)進行現(xiàn)場測試，測試現(xiàn)場采用“自振氣力泵+水平軟管+母船”組合實現(xiàn)了定點抽吸、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

氣力泵系統(tǒng)的缺陷在于水平輸送距離有限，然而通過此次試驗可看出，經過150 m的水平軟管水平輸送之后，管內流體仍然具有很大的能量，且內部能量具有脈沖特性，氣力提升裝置在中遠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

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

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

通過試驗可知，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，與預想的效果一致。

這是由于空壓機輸出壓縮空氣經輸氣管進入自振氣力泵并高速脈動噴出，一方面與泵內漿體產生強烈的動能交換，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，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壓較高，有利于吸入大量顆粒，促進氣力泵疏浚性能提高。

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

5 結 論

（1）水射流噴嘴的引入對氣力泵系統(tǒng)揚水量影響較小，卻可極大的提高揚固量?？善鸬浇獬撞繅撼中π?，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）水射流噴嘴數量過多對系統(tǒng)揚固量影響不大，然其分布方式對揚固量影響顯著。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，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，揚水量JL和揚固量JS均有較大提升，尤其是揚固量峰值相比無噴嘴工況提高了10 倍之多，驗證了氣力泵浸入率越大，疏浚效率越高的結論，與理論一致。

（4）設計的工程樣機通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)，氣力提升裝置在中遠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，驗證了脈沖水射流與漿料氣力提升一體化技術能有效的運用于疏浚清淤工程實踐，也從側面驗證了深水區(qū)域氣力技術疏浚的可行性。