徐 旭，唐川林，胡 東，徐 浩

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 水射流研究所，湖南 株洲 412007; 2.湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000; 3.陜西火石咀煤礦有限公司，陜西 咸陽 713500)

氣力提升管三相流中氣相狀態(tài)對(duì)固相運(yùn)動(dòng)影響

徐 旭1，唐川林2，胡 東2，徐 浩3

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 水射流研究所，湖南 株洲 412007; 2.湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000; 3.陜西火石咀煤礦有限公司，陜西 咸陽 713500)

鉆孔水力開采中利用氣力提升系統(tǒng)對(duì)地下礦漿進(jìn)行提升時(shí)，氣體狀態(tài)(氣相值的大小及其運(yùn)動(dòng)特性)對(duì)礦漿中礦石的運(yùn)動(dòng)及其提升效率將會(huì)產(chǎn)生重要影響?；谌嗔骼碚摵蜌馀輨?dòng)力學(xué)理論建立了提升管中固相運(yùn)動(dòng)速度模型，以陶瓷球形顆粒模擬礦石，利用自行設(shè)計(jì)的小型氣力提升系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究不同運(yùn)行參數(shù)(氣量值、淹沒率)對(duì)顆粒提升量的影響，采用高速攝像技術(shù)獲取不同氣量值下管內(nèi)氣-液-固三相流運(yùn)動(dòng)圖像序列，通過圖像處理技術(shù)分析氣相對(duì)固相運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)理并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相佐證。結(jié)果表明:不同氣量值下，氣泡對(duì)顆粒的作用程度及作用形式并不相同;當(dāng)氣量值較小時(shí)，液體對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)影響較大，此時(shí)顆粒數(shù)量少、速度低且多隨氣-液混合相沿管壁位置提升;隨氣量值的增加，氣泡對(duì)顆粒及液體提升作用明顯，固-液混合相濃度及提升速度均趨于最大值并整體向管芯運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于管壁，管芯處顆粒提升速度較大，此時(shí)管內(nèi)整體呈不規(guī)則螺旋上升;持續(xù)增加進(jìn)氣量，氣體流速過高，管內(nèi)紊動(dòng)加強(qiáng)，顆粒非連續(xù)提升且固-液混合相濃度顯著降低。與淹沒率相比，氣量值的變化對(duì)管內(nèi)固相運(yùn)動(dòng)的影響更為顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合較好，對(duì)鉆孔水力開采工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

氣力提升系統(tǒng);固相運(yùn)動(dòng);氣相;高速攝像技術(shù);進(jìn)氣量

由于我國淺層礦產(chǎn)日趨枯竭，深層礦產(chǎn)的開發(fā)及開采裝置的研究尤為重要。深層礦產(chǎn)因地質(zhì)條件嚴(yán)峻、礦體結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素致使其開發(fā)難度大，傳統(tǒng)開采方法難以正常實(shí)施，鉆孔水力開采技術(shù)因開采深度大、操作安全系數(shù)高、污染少、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，尤其在易涌水和瓦斯聚集礦區(qū)具有獨(dú)特優(yōu)勢。氣力提升系統(tǒng)作為鉆孔水力開采的重要裝置之一，不僅工作可靠，而且結(jié)構(gòu)簡單、易操作、易維護(hù)。但氣力提升管中兩相流(進(jìn)氣口以下)與三相流(進(jìn)氣口以上)流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜，管中混合流體運(yùn)動(dòng)特征及各相運(yùn)動(dòng)相互作用機(jī)理并不明朗，這些因素直接影響著底層礦漿提升技術(shù)的發(fā)展。

目前對(duì)氣力提升系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究大多集中于系統(tǒng)提升效率、提升管結(jié)構(gòu)、管內(nèi)流型結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣方式等方面，KATO和MIYAZAWA[1]基于氣-液兩相流理論和動(dòng)量方程對(duì)提升管內(nèi)氣-液-固混合流體建模，并在不同提升距離、不同管徑下對(duì)氣力提升系統(tǒng)特性曲線進(jìn)行分析，但研究過程中沒有考慮氣泡對(duì)顆粒及液體提升的影響。MAHROUS A F[2]等在實(shí)驗(yàn)室條件內(nèi)對(duì)不同工況下固相提升效率進(jìn)行了研究，并且對(duì)影響固相提升的相關(guān)參數(shù)作了預(yù)測分析，結(jié)果表明:進(jìn)氣口處氣流速率不僅對(duì)氣力提升效率影響顯著，而且直接決定了進(jìn)氣口處顆粒分布狀態(tài)，顆粒直徑較大或進(jìn)氣速率過高氣力提升性能均降低。MARGARIS等[3]分別對(duì)顆粒形狀系數(shù)及氣相、固相阻力系數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)動(dòng)量守恒定律建立了系統(tǒng)控制方程，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但文中并未提及氣相與固相關(guān)聯(lián)因素對(duì)整體性能的影響。CHARALAMPOS[4]及其團(tuán)隊(duì)對(duì)不同淹沒率下提升管內(nèi)流型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立了不同運(yùn)行參數(shù)下的流型識(shí)別圖，得到氣相在管內(nèi)流型變化過程中起到重要作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)研究提升管內(nèi)各相流動(dòng)機(jī)理提供了有價(jià)值的參考。PANAFIZADEH,SAIDI[5]等在不同管徑、浸沒率下對(duì)提升管內(nèi)氣泡體積變化進(jìn)行研究，同時(shí)考慮了固相運(yùn)動(dòng)、液相運(yùn)動(dòng)等因素對(duì)氣泡體積的影響，結(jié)果表明:相同淹沒率下，氣泡體積與顆粒排出量成反比，氣泡上升過程中的聚合破裂受顆粒運(yùn)動(dòng)影響較大，氣泡大小及液體提升形態(tài)對(duì)系統(tǒng)提升性能均有影響。KASSAB和KANDIL[6]等基于體積控制法建立了三相流下氣力提升性能預(yù)測模型，并利用不規(guī)則石灰石顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明當(dāng)管內(nèi)氣泡數(shù)量逐漸增多時(shí)，液體提升量與顆粒提升量均先增加后減小，顆粒的加入使得管內(nèi)流場結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，作用機(jī)理不明，模型對(duì)氣-液兩相流預(yù)測精度較高，在氣-液-固三相流工況下模型預(yù)測精度較低。胡東、唐川林[7]等通過改進(jìn)氣舉結(jié)構(gòu)使其提升效率得到增加，根據(jù)伯努利方程建立了氣力提升管內(nèi)各相運(yùn)動(dòng)分析模型，對(duì)不同氣量值下固相及液相分布狀態(tài)進(jìn)行了分析，并依此對(duì)氣力提升管內(nèi)流型進(jìn)行劃分。廖振方、裴江紅[8]對(duì)氣力提升系統(tǒng)特性進(jìn)行了深入研究，分析了氣-液兩相流與氣-液-固三相流下提升管內(nèi)液相與氣相流動(dòng)機(jī)理，在三相流研究中將固-液混合相作為一相來分析，利用截面法建立了系統(tǒng)特征曲線方程并提出了氣流噴嘴設(shè)計(jì)新方法，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)整體效率進(jìn)行了評(píng)估。HATTA,OMODAKA[9]分析了氣力提升系統(tǒng)采用不同管結(jié)構(gòu)時(shí)管內(nèi)氣-液-固三相流動(dòng)態(tài)特征，并根據(jù)一維多相流模型與管內(nèi)氣流流型轉(zhuǎn)變特征建立了提升系統(tǒng)控制模型，模型對(duì)不同氣量值下的排液量與排固量進(jìn)行了合理預(yù)測，但在方程建立及分析過程中并未考慮氣相對(duì)液相與固相運(yùn)動(dòng)的影響，這成為制約模型應(yīng)用的主要原因。

弄清氣力提升管內(nèi)氣相與固相運(yùn)動(dòng)特征及相互作用機(jī)理對(duì)于增強(qiáng)氣力提升系統(tǒng)性能至關(guān)重要?，F(xiàn)有研究將三相流中液-固相作為一相并根據(jù)兩相流理論分析，缺乏對(duì)三相流中固相運(yùn)動(dòng)特征的研究，尤其是氣相對(duì)固相運(yùn)動(dòng)影響的研究尚屬空白。本文將顆粒提升實(shí)驗(yàn)與圖像采集分析相結(jié)合，利用高速攝像技術(shù)[10]和圖像處理技術(shù)對(duì)氣力提升管內(nèi)氣-液-固三相流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，得到不同氣量值下提升管內(nèi)固相運(yùn)動(dòng)軌跡、速度特征、分布狀態(tài)等，充分考慮固相提升過程中氣相對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響，并在不同流型下對(duì)管內(nèi)流場變化與各相運(yùn)動(dòng)特征作了進(jìn)一步研究。

1 三相流中固相速度模型

顆粒在提升管中的運(yùn)動(dòng)不僅受其自身特性的影響，如顆粒形狀、顆粒直徑、顆粒密度等，而且還與氣泡速率、氣泡直徑、管道阻力等因素密切相關(guān)。因此為方便研究引入阻力系數(shù)Cd，忽略管壁摩阻與顆粒碰撞的影響，在提升管氣-液-固三相流段取一微元段，對(duì)提升過程中顆粒所受的主要作用力進(jìn)行分析。顆粒受力示意如圖1所示。

圖1 顆粒受力示意Fig.1 Schematic diagram of particle force

在氣-液-固三相流中，顆粒的提升不僅受到氣泡的推動(dòng)力，顆粒的粒徑及其周圍液體的運(yùn)動(dòng)對(duì)其提升也起到重要作用，圖中FGL為氣-液混合相對(duì)顆粒的推動(dòng)力，表達(dá)式為

式中，d為顆粒半徑，m;ρ為混合流體密度，kg/m3;vGL為氣-液混合相速度，m/s;t為氣-液混合相對(duì)顆粒的作用時(shí)間，s。

根據(jù)動(dòng)量守恒定律氣-液混合相速度vGL可表示為

式中，mL為微元內(nèi)液體質(zhì)量，kg;mG為微元內(nèi)氣泡質(zhì)量，kg;vL為單位時(shí)間微元內(nèi)液體流速，m/s;vG為單位時(shí)間微元內(nèi)氣泡流速，m/s。

顆粒在上升過程中，管內(nèi)顆粒濃度較小時(shí)，顆粒在氣-液混合流中會(huì)產(chǎn)生一種懸浮的狀態(tài)，此時(shí)顆粒隨混合流上下浮動(dòng)，圖1中Fb為顆粒受到的混合流體的浮力，表達(dá)式為

GS為顆粒在混合流體中的質(zhì)量:

式中，ρS為顆粒密度，kg/m3。

FV為混合流體黏性阻力:

FP為流體脈動(dòng)引起的額外阻力:

式中，γ為脈動(dòng)阻力系數(shù);vP為脈動(dòng)速度，m/s。

由氣泡動(dòng)力學(xué)理論[11]可知，氣泡在提升管內(nèi)上浮過程中，其力平衡方程為

式中，V為氣泡體積;ρ為混合流體密度;dG為氣泡直徑;S為氣泡迎流面投影面積。

由式(7)可反推得到阻力系數(shù)Cd的表達(dá)式:

根據(jù)牛頓第二定律得顆粒運(yùn)動(dòng)方程:

將式(1),(3)～(6),(8)代入式(9)中得

顆粒得以提升的條件為dvS/dt≥0，在氣-液-固三相流段，假設(shè)管中各相混合均勻，令dvS/dt=0時(shí)，即可得顆粒提升臨界速度或懸浮速度:

公式在推導(dǎo)的過程中只將顆粒作為球狀考慮，未分析顆粒形狀對(duì)其臨界提升速度的影響，現(xiàn)引入形狀系數(shù)K對(duì)推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行修正，則式(11)變?yōu)?/p>

由式(12)可知，提升管中顆粒臨界提升速度與氣泡上升速率、氣泡直徑、氣泡密度等因素密切相關(guān)，液相提升速度受進(jìn)氣速率的影響且與進(jìn)氣速率成正比，因此進(jìn)氣速率為制約氣-液混合相速度的主要因素，氣-液混合相速度又直接決定著顆粒的提升速度，可知在顆粒提升過程中進(jìn)氣速率發(fā)揮著重要作用。同時(shí),進(jìn)氣速率過大又會(huì)制約顆粒與液體的提升，因此實(shí)際工況下合理選擇氣量值[12]可使氣力提升系統(tǒng)達(dá)到最佳提升性能。所建模型中各變量并非相互獨(dú)立，這也是導(dǎo)致三相流中顆粒速度分析復(fù)雜的一個(gè)重要因素，氣量值的變化導(dǎo)致管中出現(xiàn)不同的流型，不同流型下氣泡與顆粒也將呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)趨勢，下面將實(shí)驗(yàn)與圖像處理[13]相結(jié)合尋求與模型相匹配的流型。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

為獲取提升管中氣-液-固三相流圖像序列和分析所建模型對(duì)顆粒提升速率的預(yù)測情況，建立了室內(nèi)小型氣力提升系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)主要包括:供氣系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。其中供氣系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、空氣凈化器、供氣管路;供沙系統(tǒng)主要包括固體輸送器、集砂槽、供砂管;供水系統(tǒng)主要包括水箱、供水管、可調(diào)節(jié)水箱;提升系統(tǒng)主要包括氣舉泵、提升管;計(jì)量系統(tǒng)主要包括液位計(jì)、渦街流量計(jì)、天平;圖像采集系統(tǒng)包括高速攝像儀、采集卡、光源、計(jì)算機(jī)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)前開啟空壓機(jī)，壓縮氣體進(jìn)入凈化器，打開進(jìn)水閥門，調(diào)節(jié)供水箱使提升管內(nèi)液面達(dá)到液位計(jì)上標(biāo)定的刻度，即確定的淹沒率(RS=L/L1,L為進(jìn)氣口到管內(nèi)液面距離;L1為進(jìn)氣口到提升管出口距離)，打開氣體流量調(diào)節(jié)閥使氣體通入提升泵，提升管內(nèi)形成氣舉效應(yīng)，打開固體顆粒輸送閥門，顆粒跟隨液體在管內(nèi)提升，混合流體到達(dá)氣體分離器后，氣體排出，液體與固體經(jīng)液固分離器回收循環(huán)利用。實(shí)驗(yàn)中使用的提升管為透明有機(jī)玻璃管，管段總長為2 560 mm,外徑為50 mm,內(nèi)徑為40 mm。實(shí)驗(yàn)測定不同的淹沒率(因室內(nèi)高度的限制并為滿足實(shí)驗(yàn)要求，分別設(shè)置淹沒率RS=0.4，0.5，0.6，0.7，0.8)、氣量值(氣量值取決于空壓機(jī)流量閥，由DN40型渦街流量計(jì)測量，其測量范圍為0～100 m3/h，并根據(jù)課題組已有研究[14]，分別選取氣量值QG=18，25，35，45，55 m3/h)下顆粒提升量。進(jìn)氣深度Lg(進(jìn)氣口到提升管底部的距離)過大或過小均不利于提升管對(duì)底部顆粒的提升，實(shí)驗(yàn)測得以Lg=420 mm為宜。固體顆粒供給量的選擇以獲得最大有效顆粒提升量為原則，顆粒供給量過多則會(huì)導(dǎo)致阻塞等情況出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測得以0.035 kg/s為宜。

高速攝像儀采用美國約克公司的Phantom M系列高速相機(jī)，型號(hào)PhantomM310_12G，最大分辨率為1 280×800，最大幀率為400 000 幀/s，利用自帶的PCC軟件可進(jìn)行圖像分析。實(shí)驗(yàn)過程中，高速攝像儀選用焦距范圍為15～85 mm的鏡頭，打開照明燈，調(diào)整鏡頭焦距，使拍攝平面與提升管軸心面平行，獲取管內(nèi)流型圖像序列。固體顆粒選擇麥飯石陶瓷顆粒，其形狀基本為球體，密度為1 967 kg/m3，粒徑dS=10 mm。顆粒提升性能實(shí)驗(yàn)與流場結(jié)構(gòu)拍攝同時(shí)進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 顆粒提升實(shí)驗(yàn)分析

由圖3可知，不同淹沒率RS下，隨進(jìn)氣速率QG的增加顆粒排出速率JS變化趨勢相似，均先增加后趨于平緩，即存在最佳氣量值使得顆粒排出量最大。相同氣量值下，隨淹沒率的增加，顆粒排出量的增長速率逐漸加快。根據(jù)對(duì)氣力提升機(jī)理的分析可知，相同淹沒率下，當(dāng)氣量值較小時(shí)(達(dá)到顆粒臨界提升速度之前)，管內(nèi)以稀疏泡狀流與泡狀攪拌流為主，且氣泡提升力為液體上升主要?jiǎng)恿?。隨氣量值的增加(已超過顆粒臨界提升速度)，液體提升速度增加，顆粒離開砂床隨液體上升進(jìn)入提升管，三相流段顆粒同時(shí)受到液體與氣泡的影響，不同進(jìn)氣量下氣相與液相對(duì)固相的影響方式并不相同。當(dāng)QG=12～20 m3/h時(shí)，管內(nèi)液體體積較大，大氣泡多位于管芯位置，小氣泡則更多混合于管壁液流中，顆粒隨氣-液混合相沿管壁處上升，顆粒排出量少且不連續(xù)，此時(shí)管內(nèi)以稀疏泡狀流為主，液體對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)影響明顯[15];當(dāng)QG=20～30 m3/h時(shí)，管內(nèi)氣泡含量逐漸增大，大氣泡破裂聚合形成密集小氣泡且均勻分散于管內(nèi)，顆粒被密集小氣泡包裹提升，氣泡對(duì)顆粒的提升作用逐漸加強(qiáng)，此時(shí)管內(nèi)為密集泡狀流且整體為不規(guī)則螺旋式上升，顆粒與液體的提升量均大幅增加;當(dāng)QG=30～40 m3/h時(shí)，管內(nèi)流型以泡狀攪拌流為主，顆粒濃度逐漸趨于最大值，并且液體和氣泡對(duì)顆粒的提升作用均趨于最大，同時(shí)由于顆粒濃度的增加，管內(nèi)顆粒碰撞加劇，氣舉泵與提升管振動(dòng)明顯;繼續(xù)增加氣量值，當(dāng)QG=40～50 m3/h時(shí)，管內(nèi)紊動(dòng)加強(qiáng)，氣泡破裂、聚合間隔時(shí)間變短，液體則主要貼近管壁呈液膜態(tài)上升，此時(shí)管內(nèi)為混合攪拌流，氣泡與液體已不能對(duì)顆粒進(jìn)行有效提升，顆粒排出量降低。在不考慮少數(shù)顆粒無序運(yùn)動(dòng)的情況下，所建立的模型合理的預(yù)測了氣力提升管中顆粒整體速度變化趨勢。

圖3 顆粒排出速率隨進(jìn)氣速率的變化Fig.3 Variation of particle discharged velocity with air-inlet velocity

圖4為不同氣量值下，顆粒排出速率隨淹沒率變化趨勢。由圖4可知，在相同氣量值下，顆粒排出量與淹沒率的增長呈正比，各氣量值下顆粒排出量隨淹沒率變化趨勢相似，均逐漸增加。這是由于淹沒率的增加使得提升管出口端與液面的距離變短，氣泡與液流上升相同距離所消耗能量減少，而這部分減少的能量則直接作用于管中顆粒，且顆粒提升過程中克服重力所做的功也相應(yīng)減少，進(jìn)氣口輸入的能量是確定的，因此顆粒排出量隨之增加。

圖4 顆粒排出速率隨淹沒率的變化Fig.4 Variation of particle discharged velocity with submergence ratio

3.2 混合流場中顆粒運(yùn)動(dòng)分析

3.2.1氣相對(duì)固相提升影響分析

不同流型下氣-液-固三相流的流體力學(xué)特性并不相同，因此對(duì)不同流型中氣相對(duì)固相運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行分析，圖5為淹沒率RS=0.6時(shí)，通過高速攝像系統(tǒng)所獲得的各階段流型特征圖。在進(jìn)氣初期，液體的拖曳力不足以將顆粒代入管內(nèi)，顆粒多在吸口底部做無規(guī)則擾動(dòng)，隨氣量值的增加，當(dāng)液體拖曳力超過顆粒臨界提升力后，顆粒由管底部吸口進(jìn)入管內(nèi)，當(dāng)QG=12～20 m3/h時(shí)，管壁處多為夾雜微小氣泡的液流，氣流及較大體積氣泡聚集于管芯處，少量顆粒隨液流沿管壁上升且伴隨管壁微弱振動(dòng)，此時(shí)氣體對(duì)顆粒的影響以液流中小氣泡為主[16];管芯處氣流則間接影響管壁處顆粒的運(yùn)動(dòng)，提升管出口端顆粒及液體排出量較少，管內(nèi)整體以稀疏泡狀流為主。當(dāng)QG=20～30 m3/h時(shí)，顆粒與液體排出量逐漸增多，管內(nèi)橫向截面液流與氣流愈發(fā)密集，氣-液相對(duì)顆粒的共同作用力隨之增加，此時(shí)密集氣泡的上升成為顆粒提升的主要?jiǎng)恿Γ∈桀w粒提升開始向顆粒群提升過渡;從顆粒受力角度分析，此種流型(密集泡狀流)可視為過渡流型，由于三相流濃度的升高，管內(nèi)流體開始呈現(xiàn)螺旋式上升，在多相流中，當(dāng)顆粒作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與顆粒運(yùn)動(dòng)方向相垂直的Magnus力，此力在氣泡與液流的共同作用下推動(dòng)著顆粒向管芯運(yùn)動(dòng)，且速度不斷增加。當(dāng)QG=30～40 m3/h時(shí)，管內(nèi)氣-液-固三相流混合較均勻且充滿管內(nèi)空間，此時(shí)氣相在液相的協(xié)助作用下對(duì)顆粒的提升力達(dá)到最大，顆粒濃度也趨于最大;同時(shí)由于氣量值的增加及顆粒碰撞的影響，混合流體與管體振動(dòng)劇烈。當(dāng)QG=40～50 m3/h時(shí)，管內(nèi)氣流紊動(dòng)加劇，氣泡聚合作用減弱，少量小氣泡多分散在液流中，快速上升的氣流擾亂了顆粒原有運(yùn)動(dòng)軌跡，顆粒多為不連續(xù)無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并且氣流的擾動(dòng)不斷沖破包含氣泡的液流，氣-液混合相對(duì)顆粒提升作用迅速減小，此時(shí)由于氣量值的增加而導(dǎo)致的提升管晃動(dòng)對(duì)管內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)亦產(chǎn)生一定影響，在工程應(yīng)用中，當(dāng)氣量值較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)對(duì)管體添加減震裝置，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作。

圖5 提升管內(nèi)不同階段流型特征Fig.5 Flow pattern characteristics in different stage of riser

通過對(duì)各氣量值下不同流型及各流型中氣相對(duì)固相的影響分析可知，相同淹沒率下，隨氣量值的增加顆粒提升速度先增加后減小(宏觀反應(yīng)為管內(nèi)顆粒濃度及顆粒排出量均先增加后減小[17])，這與理論模型的預(yù)測相吻合。

如圖6所示，筆者總結(jié)了淹沒率RS=0.6，QG=20～35 m3/h時(shí)氣力提升管中氣泡的不同形態(tài)特征(氣泡體積、氣泡密度等)及其(或在液體協(xié)同作用下)對(duì)顆粒的不同作用形式。在已有的研究中彈狀流對(duì)顆?；蛞后w的提升作用明顯，氣彈沿管壁上升過程中，與顆粒產(chǎn)生動(dòng)量交換，使顆粒瞬時(shí)速度增加;在氣彈發(fā)展過程中，氣彈尾部受到氣-液混合流的擾動(dòng)作用及周圍顆粒的沖擊，不斷有氣泡與液流混入使其體積減小，最后被體積大小不一的氣泡所取代;隨氣泡密度的增加，管內(nèi)混合流體密度減小，整體提升速度加快，密集氣泡流在液流的協(xié)助下直接帶動(dòng)顆粒上升;在顆粒提升過程中，當(dāng)周圍氣泡較多時(shí)會(huì)在顆粒表面附著一層小氣泡，此時(shí)顆粒被小氣泡包裹提升，但持續(xù)時(shí)間較短，氣泡層會(huì)被隨后提升上來的液流所沖散，以此往復(fù);三相流提升過程中，氣泡不僅影響顆粒的運(yùn)動(dòng)，對(duì)液體的運(yùn)動(dòng)及提升也會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)管內(nèi)氣泡密度大時(shí)，氣泡更多會(huì)直接作用影響顆粒的提升，但在其他階段氣泡則會(huì)利用液體(氣-液混合流)間接作用于顆粒，如在圖像分析過程中可觀察到密集氣泡區(qū)上部會(huì)形成液流密集區(qū)，此區(qū)域內(nèi)顆粒更多隨液流運(yùn)動(dòng)，而下部密集氣泡的運(yùn)動(dòng)成為上部液-固相運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?當(dāng)氣量值較大時(shí)，隨液體提升量的下降，氣-液混合相密度減小，顆粒受連續(xù)氣液流的沖擊，與氣-液相之間產(chǎn)生明顯的滑移，管內(nèi)不同位置的顆粒速度及運(yùn)動(dòng)軌跡隨之發(fā)生變化。

圖6 提升管中氣體對(duì)固體不同作用形式Fig.6 Different forms of gas action on particles in riser

3.2.2顆粒軌跡及速度分析

圖7為顆粒在提升管中運(yùn)動(dòng)軌跡，相鄰圖片時(shí)間間隔一致，均為T=0.1 s。由圖7可知，當(dāng)QG=25 m3/h時(shí)，顆粒提升距離不斷增加，且由管壁逐漸向管芯運(yùn)動(dòng)，前3幅圖中顆粒上升距離較短，此時(shí)管內(nèi)氣流與液流混合不均勻，氣流占據(jù)管芯大部并對(duì)管壁處液流不斷形成擾動(dòng)，致使管壁處液流時(shí)薄時(shí)厚，顆粒受力不均，提升速度較慢;后3幅圖中顆粒提升距離相對(duì)增加，由圖7可知，密集氣泡逐漸增多，小氣泡將顆粒包裹隨液流運(yùn)動(dòng)[18]，顆粒所受提升力增強(qiáng)。當(dāng)QG=35 m3/h時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)顆粒提升距離顯著增加，此時(shí)管內(nèi)小氣泡濃度達(dá)到最大，顆粒濃度也趨于最大，液流與氣泡共同帶動(dòng)顆粒提升;此階段顆粒不僅受到氣泡與液流的影響，顆粒間的碰撞也成為影響其運(yùn)動(dòng)的重要因素，導(dǎo)致有些顆粒速度瞬間增大或減小，管內(nèi)整體仍呈螺旋式上升。氣-液混合相在顆粒周圍產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，局部流場會(huì)產(chǎn)生較大速度梯度，其方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向垂直[19]，同時(shí)由于周圍顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾流影響，顆粒以極不穩(wěn)定的狀態(tài)向管芯運(yùn)動(dòng)，管芯處顆粒濃度不斷增加致使此處顆粒又開始向管壁處運(yùn)動(dòng)，依次循環(huán)。

圖7 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Trajectory of particle movement

通過處理提升管內(nèi)氣-液-固三相流運(yùn)動(dòng)視頻可獲得顆粒在此運(yùn)動(dòng)過程中的速度特征，圖8為RS=0.6,QG=30 m3/h時(shí)提升管內(nèi)具有代表性的兩個(gè)顆粒的速度特征。由圖8可知，顆粒在提升過程中存在一定的振蕩，由管壁到管芯顆粒速度整體呈上升趨勢，兩個(gè)顆?；旧隙荚诠苄咎幩俣鹊竭_(dá)最大，這是由于管壁處液流受到氣流的影響厚薄不均勻，對(duì)顆粒包裹作用較弱，致使顆粒與氣液相發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，管壁摩阻及流體的黏滯性也是使其速度降低的重要因素[20];顆粒群在提升過程中，內(nèi)部會(huì)發(fā)生顆粒間的碰撞，有些碰撞對(duì)顆粒起帶動(dòng)作用，有些則起阻礙作用，加之管內(nèi)流體脈動(dòng)的影響，顆粒在向管芯運(yùn)動(dòng)(或向管壁運(yùn)動(dòng))過程中會(huì)有瞬時(shí)速度減小的情況。

圖8 顆粒瞬時(shí)速度分布Fig.8 Distribution of particle instantaneous velocity

4 結(jié) 論

(1)基于三相流理論與氣泡動(dòng)力學(xué)理論所建立的提升管中顆粒速度模型較為合理的預(yù)測了不同氣量值下提升管中顆粒整體速度變化特征，由于模型中各影響因素間關(guān)系復(fù)雜，因此針對(duì)不同工況的模型優(yōu)化有待進(jìn)一步研究。

(2)隨氣量值的變化，管內(nèi)氣泡對(duì)顆粒的作用程度及影響方式并不相同，在低氣量值下，氣泡混入液流中并在管芯氣流的帶動(dòng)下對(duì)顆粒進(jìn)行提升，此時(shí)顆粒多沿管壁運(yùn)動(dòng);較高氣量值下，氣泡與液流混合均勻且充滿整個(gè)管內(nèi)空間，此時(shí)氣泡在液流的輔助作用下對(duì)顆粒的提升力達(dá)到最大;持續(xù)增加進(jìn)氣量，氣流紊動(dòng)加強(qiáng)，管內(nèi)流體振蕩和管體振動(dòng)劇烈，顆粒運(yùn)動(dòng)受到嚴(yán)重影響。

(3)在氣-液-固三相流提升過程中，顆粒跟隨氣-液相由管壁向管芯運(yùn)動(dòng)，提升速度在管芯處較大;隨氣量值的增加，管內(nèi)呈現(xiàn)不同的流型，泡狀攪拌流階段顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡(螺旋式上升)明顯，各流型中氣泡主要利用液流的包裹作用對(duì)顆粒帶動(dòng)提升。

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Effectofgasstateonsolidmovementwiththree-phaseflowinriser

XU Xu1,TANG Chuanlin2,HU Dong2,XU Hao3

(1.ModernJettingDepartment,HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007,China; 2.CollegeofEnergyandMechanicalElectricalEngineer,HunanUniversityofHumanities,ScienceandTechnology,Loudi417000,China; 3.ShaanxiFlintCoalMineCo.,Ltd.,Xianyang713500,China)

The gas states (gas volume or movement characteristics of gas-phase) have an important effect on the movement and lifting efficiency of ores when using an air-lift system to lift the slurry in borehole hydraulic jet mining.The solid velocity model in riser was proposed based upon the three-phase flow theory and bubble dynamics theory.By simulating the ore using the ceramic particles,the experimental study on the effect of different operating parameters (gas volume,submergence ratio) on particle lifting was carried out by using a self-designed airlift system.The moving images of gas-liquid-solid three-phase flow in different air-inlet was obtained by using the high-speed camera.The influence mechanism of gas-phase on solid movement was discussed based on the image processing,moreover,the analytic results were compared with the experimental results.Results show that the influence modes of bubbles acting on solids is not the same under the different air volumes,as well as the influence degree of bubbles.Liquids have a significant effect on solid movement when the air-inlet is small,meanwhile,solids were lifted followed with gas-liquid phase along pipe wall,and its quantity and velocity is maintained at a low level.The bubbles have an significant effect on the promotion of solid and liquid with the increase of air-inlet,the concentration of solid-liquid phase and mixture flow velocity are close to the maximum,the whole is moving to pipe center.In addition,the lifting velocity of solid in pipe center is greater than that at the pipe wall,and the moving trajectory of mixture flow in pipe is a spiral progress;however,the gas velocity is too high and the mixture flow turbulence is strengthened when the air-inlet is maintained in a high level,the solids lifting is discontinuous and the concentration of liquid-solid phase is decreased significantly.In addition,compared with the submergence ratio,the effect of gas volume on the solid movement is more significant.The different characteristics of three-phase flow patterns is showed with the air-inlet changes,and the effect law of gas on liquid-solid phase is smaller.The experimental results gives a good fit to the numerical analysis which has a guiding significance for borehole hydraulic jet mining.

air-lift system;solid movement;gas phase;high speed camera;air-inlet

徐旭，唐川林，胡東,等.氣力提升管三相流中氣相狀態(tài)對(duì)固相運(yùn)動(dòng)影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(11):2998-3005.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0487

XU Xu,TANG Chuanlin,HU Dong,et al.Effect of gas state on solid movement with three-phase flow in riser[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2998-3005.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0487

TD825.6

A

0253-9993(2017)11-2998-08

2017-04-13

2017-09-16責(zé)任編輯許書閣

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374101);湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CX2017B686);湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(16C0464)

徐 旭(1990—)，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。E-mail：497331412@qq.com。

唐川林(1963—),男，湖南邵陽人，教授，博士。E-mail:tcl5608@126.com