水射流强化疏浚用气力泵提升性能的试验研究

林 鹏，苏子泽，胡 东，郭鹏程

（1. 湖南人文科技学院能源与机电工程学院，湖南 娄底 417000； 2. 宁波巨神制泵实业有限公司，浙江 宁波 315135；3. 西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）

0 引 言

中国河流众多，淤泥严重，存在大量的疏浚需求［1］。随着我国“天鲸号”的成功下海，我国疏浚企业年疏浚能力突破10 亿m3，疏浚能力跃居世界第一，然而与18 亿t 泥沙的淤积量相比，我国清淤疏浚缺口仍然巨大。尤其是山塘水库和河道淤积严重，我国的年平均库容损失率更是达到2.3%，远高于世界平均水平［2］。针对气力提升方面的研究，主要集中在气力提升的工作性能、工作参数、多相流稳态和瞬变流动特性等方面［3-6］，鲜有人关注气力泵底部的流动状态。而气力泵底部流场特性，尤其是底部淤泥进入气力泵吸口体积流量（质量流量）的大小，对气力泵提升性能有着至关重要的影响。

文献［7］认为砂矿的抽取量基本上决定于通过吸管口与土岩表面之间环形间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决定，若不事先破碎板结的淤泥，其抽吸效果极其有限。因此，现有清淤设备，通常需要特定的旋转盘或者高速射流来辅助增加进口速度［8］。最原始的手段是采用炸药，对底部泥层进行水下爆破，让底部泥层破碎、悬浮，然而这种方法在实际使用中极不方便，也不安全，整体效率低［7］。绞吸式、耙吸式挖泥船都存在清淤能力有限［9］。射流船清淤则是依靠喷嘴阵列喷出高速射流促使泥沙不断悬浮，向低处流动，然而受限于工作工况［10］，且其所用喷嘴一般是连续射流喷嘴，不能对底部泥沙产生脉动作用。而自振脉冲水射流技术的出现，可为底部泥沙脉动创造条件。廖振方［11］、向文英［12，13］、唐川林［14］等人都提出利用气举装置与自激振荡脉冲射流相结合的清淤新方法，发现在水下，振荡脉冲射流不仅能很好地破碎和疏散淤泥、土岩，而且为它们进入气举（气力泵）吸口提供了良好的周边环境。

因此，将气力泵与脉冲射流联合清淤技术引入江河湖泊及农田水利系统的疏浚工程，重点研究脉冲水射流喷嘴个数及不同布置方式对气力泵底部流场及疏浚特性的影响，对改善环境、倡导可持续性发展都具有广泛的应用前景和重要的经济战略意义。

1 气力泵疏浚装备工作原理及优势

1.1 气力泵疏浚装备工作原理

气力提升（Airlift）是以压缩空气为工作介质，来抽吸和压送液体或浆体的流体输送机械［15］。气力泵（气力提升泵）装置主要由空气压缩机、气力泵、提升管及辅助破碎装置构成，其工作原理和物理模型如图1 所示，内部结构如图2 所示。由空气压缩机提供压缩气体，经进气口进入气力泵环形缝隙，由于压缩空气经环形缝隙喷出后形成局部真空，在气力泵底部吸口形成强大的抽吸力（若结合脉冲射流喷嘴的振荡脉冲作用效果更好），从而将库底淤泥抽吸至泵内，与压缩空气进行能量交换，实现气体、液体、固体的充分混合，在浮力、拖曳力和真空抽吸力（振荡脉冲）的共同作用下，库底淤泥实现连续传输和提升。

图2 气力泵内部结构图Fig.2 The internal structure of the airlift pump

1.2 气力泵疏浚与传统疏浚的对比优势

与传统叶片泵相比，气力泵内无运动部件、没有磨损，不易卡阻、不受颗粒浓度及尺寸限制。脉冲水射流主要功能为挖掘泥砂，由于其特有的软刀切割及破碎特性，较传统铰刀具有非接触性、磨损小、成本低及可靠性高等优点。此外，脉冲水射流装备还因其流态化作用可替代传统耙吸清淤过程中冲水泵功效。如将其喷射角度设置合理，还可起到气力泵吸口增速功能，使得浆料更易越过两相段，便于后续提升。显然，脉冲水射流可替代传统挖泥船中多种挖掘及辅助设备功效，具有独特的优势。因此，脉冲水射流与气力泵联合疏浚技术相比传统疏浚方式，优势明显。疏浚装备整体造价下降45%以上，可使疏浚管道磨损率降低15%，装备使用寿命大幅提升。

图3 气力泵疏浚与传统疏浚对比图Fig.3 Comparison of airlift pump dredging and traditional dredging

2 试验系统与方法

本试验的空压系统采取2 台玛尔泰螺杆式M40A 空气压缩机，额定排气压力约为1.25 MPa，压缩空气经储气罐进入气力泵内，气体与浆料混合，通过提升管（D=100 mm）将浆料输送至取料池。试验水池尺寸为4.5 m×2.5 m×3.5 m，预先在池底铺入300 mm 厚普通河沙。试验系统由气力提升系统、辅助破碎系统、测量系统和控制系统四部分组成。控制面板发送指令，通过控制三维移动平台来带动气力泵系统，实现3个方位的移动，完成平移抽沙和纵向抽沙试验。不同试验下的浸入率γ（γ=L3/L1）为气力泵进气口到水面距离L3与进气口到出口距离L1的比值，可通过进水管及水槽底部阀门来进行调节。气体流量由空压机阀调节，并通过LZB-50 型气体流量计测定，其误差在±1.5%以内。水流量则由LZB-100F型液体流量计测量，相应最大误差为±1.5%。

图4 实验装置图Fig.4 Experimental setup

3 试验结果分析

3.1 喷嘴数量对气力泵疏浚性能的影响

水射流喷嘴的布置方案如图5 所示。图6 为浸入率γ=0.3时，水射流喷嘴数量对气力泵疏浚性能影响。由图可知，随着气体流速JG的增大，扬水量JL和扬固量JS均呈现先增大后减小的类抛物线趋势，说明气体流速存在一个最优范围（1.5～2 m/s），并不是越大越好。引入水射流喷嘴对系统扬水量的影响不大，当喷嘴数量（N＞3）继续增加，扬水量反而有所减小。这是由于气体流速的改变引起了提升管内流型的变化，进而引起管内混合流体密度差、滑移比和相间传质能力的改变，使得扬水量先增大后减小。

图5 水射流喷嘴布置方案Fig.5 Water jet nozzle layout scheme

图6 喷嘴数量对气力泵疏浚性能的影响（γ=0.3）Fig.6 Influence of the number of water jet nozzles on the air lift performance（γ=0.3）

此外，引入水射流喷嘴之后，气力泵的扬固量有巨大提升，说明，水射流喷嘴对扬固量的影响极为显著，然而喷嘴个数（N＞3）对扬固量影响甚微。这是由于高压泵输入高压水进入脉冲水射流喷嘴，形成振荡射流，不仅对水底板结泥砂层进行疲劳损伤破坏，使之分解，还因其搅拌作用促进吸口流态化，使得颗粒易于越过液-固两相流段，便于后续气力泵输送，从而使得气力泵的扬固能力得到了显著提升。对比图6 和图7 发现，浸入率γ对气力泵疏浚性能影响较大，随着浸入率γ的增大，扬水量JL和扬固量JS均有较大提升，尤其是扬固量峰值相比无喷嘴工况提高了10倍之多。

图7 喷嘴数量对气力泵疏浚性能的影响（γ=0.8）Fig.7 Influence of the number of water jet nozzles on the air lift performance（γ=0.8）

3.2 喷嘴布置方式对气力泵疏浚性能的影响

图8为浸入率γ=0.3时，水射流喷嘴布置方式对气力泵疏浚性能的影响。从图8（a）中可知，喷嘴的不同布置方式对扬水量的影响较小，4种布置方案下，扬水量随进气速度的变化趋势一致。然而，扬固量受喷嘴不同布置方案的影响较大。4 种不同布置方案下，扬固量最大为方案2，其次为方案3、4，扬固量最小为方案1。方案2 和3 差距不大，但较方案4 和1，扬固量有明显提升，且这种差距在峰值附近趋于最大，而在进气量较小与较高时则不明显。说明水射流喷嘴的非均匀布置有助于气力提升性能的提高。这是由于喷嘴的非均匀布置促使底部流场出现脉动，形成脉动流场，使得大量颗粒在振荡脉冲射流所产生的极大瞬间拖曳力峰值作用下，解除了底部的压持效益，助力颗粒脱离底部泥沙向上运动，从而顺利启动并得到提升，因而方案2 所对应的提升性能高于方案3。然而，若喷嘴的分布过于不均匀，如方案1，则会导致气力泵吸口底部流场的脉动范围缩小，仅作用于一侧，使得系统的提升性能增强不明显。此外，若喷嘴的布置过分“偏心”，会引起颗粒偏离吸口，得不到提升，导致系统提升能力减弱。

图8 喷嘴分布方式对气力泵疏浚性能的影响（γ=0.3）Fig.8 Influence of water jet nozzle distribution on air lift performance （γ=0.3）

4 现场应用研究

团队研制的试验样机是利用气力提升技术实现水下淤泥、砂石的抽取及垂直输送，主要动力源为压缩空气。气力泵施工流程示意图如图9 所示。在试验区进行现场测试，测试现场采用“自振气力泵+水平软管+母船”组合实现了定点抽吸、移动抽吸等抽吸方式，现场抽吸浓度可观。

图9 气力泵现场施工流程示意图Fig.9 Schematic diagram of the construction process of the airlift pump

图10 水上平台（母船）和气力泵装备Fig.10 Water platform （mother ship）

4.1 含水平输送软管现场试验

气力泵系统的缺陷在于水平输送距离有限，然而通过此次试验可看出，经过150 m的水平软管水平输送之后，管内流体仍然具有很大的能量，且内部能量具有脉冲特性，气力提升装置在中远距离水平输送上仍具潜力。

图11 气力泵装置布置图Fig.11 Layout of the airlift pump device

4.2 仅垂直输送管现场试验

由图12 可知，流速和浓度基本随着清淤深度的增大而增大，从而验证了气力泵浸入率越大，气力提升效率越高的结论，与理论一致。

图12 清淤深度与浓度、流速关系Fig.12 Relationship between dredging depth， concentration and flow velocity

通过试验可知，气力提升装置特别适用于垂直提升，将淤泥从水库底部提升到水面2.5 m 高度（共16 m）非常轻松，且喷距较大，可在同一位置抽吸较长时间，说明附近淤泥会向泵吸口流动，与预想的效果一致。

这是由于空压机输出压缩空气经输气管进入自振气力泵并高速脉动喷出，一方面与泵内浆体产生强烈的动能交换，在气力泵底部吸口处形成局部脉动真空，另一方面因气体作用在泵内形成比水密度轻的气-水-砂混合体，从而将水底下疏松的泥砂源源不断吸入气力泵内，自振气流引发混合流体出现振荡特征，造成泵吸口附近瞬时负压较高，有利于吸入大量颗粒，促进气力泵疏浚性能提高。

图13 气力泵垂直提升现场疏浚试验效果Fig.13 Dredging test effect of vertical lift of airlift pump

5 结 论

（1）水射流喷嘴的引入对气力泵系统扬水量影响较小，却可极大的提高扬固量。可起到解除底部压持效应之功效，使得底部流场脉动，固体表观流速得到大幅提升，使得颗粒易于启动。

（2）水射流喷嘴数量过多对系统扬固量影响不大，然其分布方式对扬固量影响显著。因此，需采用非均匀分布方式，但不能过分“偏心”，不然会引起颗粒偏离吸口，得不到提升，易引发动压持效应，致使气力泵疏浚性能降低。

（3）浸入率γ对气力泵疏浚性能影响较大，随着浸入率γ的增大，扬水量JL和扬固量JS均有较大提升，尤其是扬固量峰值相比无喷嘴工况提高了10 倍之多，验证了气力泵浸入率越大，疏浚效率越高的结论，与理论一致。

（4）设计的工程样机通过现场测试，发现，气力提升装置在中远距离水平输送上仍具潜力。流速和浓度基本随着清淤深度的增大而增大，验证了脉冲水射流与浆料气力提升一体化技术能有效的运用于疏浚清淤工程实践，也从侧面验证了深水区域气力技术疏浚的可行性。