包 艷， 李海淼， 孫 陽(yáng),， 陸明偉

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3.南京水匯能源科技有限公司， 南京 211800 )

1 研究背景

目前我國(guó)仍有部分山區(qū)居民和耕地存在用水困難的問(wèn)題，雖然當(dāng)?shù)厮Y源豐富，卻輸送不到需要的地方。同時(shí)電網(wǎng)不穩(wěn)定，利用傳統(tǒng)的電泵站很難解決山區(qū)供水問(wèn)題[1-4]。在自然界和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，氣液兩相流現(xiàn)象隨處可見(jiàn)，它與人類的生活和生產(chǎn)密切相關(guān)。在能源動(dòng)力工程中的鍋爐、石油、天然氣的輸送過(guò)程、冶金工程中的溶煉爐、化學(xué)工程設(shè)備中的各式氣-液反應(yīng)器、生物環(huán)境工程中的污水處理過(guò)程和造紙過(guò)程、水力能發(fā)電過(guò)程、選礦工程中的浮選過(guò)程中都廣泛存在氣液兩相流動(dòng)[5-10]。對(duì)氣液兩相流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論分析、數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究等方面開(kāi)展了一些研究工作。氣液兩相流領(lǐng)域開(kāi)展的試驗(yàn)研究工作主要涉及流型判別和兩相流運(yùn)動(dòng)特性[11-14]。近年來(lái)，對(duì)于氣液兩相流的研究，除了實(shí)驗(yàn)研究外，數(shù)值模擬研究也得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬可降低實(shí)驗(yàn)研究所需的時(shí)間和成本，同時(shí)也能獲取實(shí)驗(yàn)研究不能得到的一些重要信息。另一方面，由于氣液兩相流動(dòng)的研究涉及到偏微分方程，求解往往非常困難，而數(shù)值模擬技術(shù)能有效解決這個(gè)問(wèn)題[15-17]。通過(guò)氣液之間的相互作用機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)氣液能量的相互轉(zhuǎn)化，對(duì)低水頭水力能的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)意義，國(guó)內(nèi)外在此超低水頭水力能應(yīng)用領(lǐng)域的研究也尚未開(kāi)展。

2 試驗(yàn)裝置

篇幅所限，本文只討論該裝置的第二部分-高壓氣體提水。高壓氣提水泵是一種利用高壓氣體實(shí)現(xiàn)提水功能的水泵，圖1給出了試驗(yàn)裝置示意圖，裝置主要由水源、泵管、進(jìn)氣管、空氣壓縮機(jī)等幾部分組成。用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體來(lái)模擬從自然界水流中搜集到的高壓氣體。根據(jù)連通器原理，水源對(duì)進(jìn)氣管與泵管連接處具有回水高度為T(mén)水柱的壓強(qiáng)。當(dāng)水與進(jìn)氣管提供的氣體相遇時(shí)，產(chǎn)生氣液兩相流。由于氣體進(jìn)入泵管后，氣液之間發(fā)生強(qiáng)烈的摻混，在泵管內(nèi)導(dǎo)致大量的能量消耗，此時(shí)泵管內(nèi)兩相流動(dòng)速度為混合物的流動(dòng)速度。而試驗(yàn)及工程所需參考的量為純氣量和純提水量，即由空氣壓縮機(jī)進(jìn)入進(jìn)氣管的耗氣量和泵管出口處分流而得的提水量，即本文將分析的兩組變量。探究耗氣量與提水量的關(guān)系，當(dāng)在一定回水、需要一定揚(yáng)程條件下，可根據(jù)所需的水量來(lái)選擇需要提供相應(yīng)氣量，大大地節(jié)約能量不致浪費(fèi)。高壓氣體的持續(xù)輸入使得液氣混合物密度大大降低，同時(shí)，考慮回水高度T水柱的靜壓及高壓氣體的壓強(qiáng)，此時(shí)泵管與進(jìn)氣管連接處的壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泵管出水口處的大氣壓，形成壓強(qiáng)差。且泵管中氣體上升速度大于液體，氣體在上升過(guò)程中對(duì)液體微粒具有拖曳力，液體在氣體的帶動(dòng)下上升。水在壓強(qiáng)差及氣體拖曳力的共同作用下，使得水源源不斷地被泵送到揚(yáng)程H處，從而實(shí)現(xiàn)泵水的功能。圖1中的管道均為PVC材質(zhì)。

3 回水高度對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響

將淹沒(méi)比ε定義為回水高度T與揚(yáng)程H的比值：

(1)

式中：回水高度T為輸水管液面高度與泵管與進(jìn)氣管連接處高度之差，m； 揚(yáng)程H為輸水管液面高度以上水泵的提水高度，m。淹沒(méi)比可以很好地表達(dá)回水高度T與揚(yáng)程H的關(guān)系，為后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理提供具有參考性的類比參數(shù)。

取泵管外徑為20mm，探究在不同淹沒(méi)比的情況下，回水高度對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響。試驗(yàn)過(guò)程中，在回水高度改變的情況下通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣管輸入氣體的壓強(qiáng)保持試驗(yàn)裝置淹沒(méi)比不變，并令耗氣量達(dá)到一定值時(shí)得到的提水量開(kāi)始滿足本組試驗(yàn)所要求的淹沒(méi)比時(shí)作為初始狀態(tài)，開(kāi)始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 氣壓水試驗(yàn)裝置圖

圖2 ε=0.5時(shí)不同回水高度耗氣量與提水量關(guān)系

圖3 ε=0.6時(shí)不同回水高度耗氣量與提水量關(guān)系

圖4 ε=1時(shí)不同回水高度耗氣量與提水量關(guān)系

由圖2～4可知，在淹沒(méi)比一定時(shí)，T分別為3、4、5m條件下所得耗氣量與提水量變化的整體規(guī)律相似。當(dāng)耗氣量到達(dá)一定范圍時(shí)，在T為3、4、5m條件下的提水量幾乎同時(shí)達(dá)到峰值。同時(shí)，隨著淹沒(méi)比的增大，在回水條件一定的情況下，為滿足本組試驗(yàn)所需要的揚(yáng)程，試驗(yàn)初始狀態(tài)和提水量達(dá)到峰值時(shí)所需耗氣量減少。如T=5m的條件下，淹沒(méi)比為0.5、0.6、1時(shí)的初始狀態(tài)耗氣量分別為257、224、108L/h，提水量達(dá)到峰值時(shí)耗氣量分別為1620、1443、1123L/h。 這是由于當(dāng)所需揚(yáng)程一定時(shí)，T增加使得回水高度處至進(jìn)氣管處之間的壓強(qiáng)增大，試驗(yàn)裝置提水能力提高，使得在所要求的提水量一定的情況下，耗氣量減少。另外還可以看出，在泵管外徑、淹沒(méi)比、耗氣量一定的條件下，提水量隨回水高度增加而略有增加。從整體看，T的變化對(duì)提水量隨耗氣量增加而變化的趨勢(shì)影響有限。

4 進(jìn)氣管直徑對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響

根據(jù)ε值將本組試驗(yàn)劃分為3組，即在泵管直徑為32mm、T=4m條件下，ε分別為0.5、0.82、1時(shí)研究進(jìn)氣管直徑變化對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響，其結(jié)果見(jiàn)圖5～7。由以上ε與T的關(guān)系所得結(jié)論可知，在同一淹沒(méi)比下，不同T時(shí)具有近似的變化規(guī)律，即本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及結(jié)論對(duì)其他回水高度條件下的關(guān)系仍具有一定參考價(jià)值。

由圖5～7可知，試驗(yàn)初期提水量隨耗氣量增加呈線性遞增時(shí)，進(jìn)氣管直徑在3～8mm范圍內(nèi)變化對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響并不明顯，即進(jìn)氣管直徑在3～8mm時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合排列近似為同一條直線，且不同ε均滿足這一規(guī)律。試驗(yàn)中后期，由于耗氣量持續(xù)增加使截面含氣率快速減少，提水量增長(zhǎng)速度緩慢。試驗(yàn)裝置處于此階段時(shí)能耗增大、提水效率已過(guò)峰值并開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。同時(shí)泵管內(nèi)由于氣體摻入量過(guò)大，使得此時(shí)的氣液兩相流處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，故所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為散亂，離散性較大，進(jìn)氣管直徑變化的影響規(guī)律不明顯。

圖5 ε=0.5時(shí)進(jìn)氣管直徑改變對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響

圖6 ε=0.82時(shí)進(jìn)氣管直徑改變對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響

圖7 ε=1時(shí)進(jìn)氣管直徑改變對(duì)耗氣量與提水量關(guān)系的影響

5 結(jié) 論

(1) 回水高度相同時(shí)，試驗(yàn)初始狀態(tài)和提水量達(dá)到峰值時(shí)所需耗氣量隨著淹沒(méi)比的增大而減少。當(dāng)揚(yáng)程確定后，回水高度增加使得回水高度處至進(jìn)氣管處之間的壓強(qiáng)增大，試驗(yàn)裝置提水能力提高，相同提水量情況下所需的耗氣量減少。從整體看，回水高度的變化對(duì)提水量隨耗氣量增加而變化的趨勢(shì)影響微弱。在今后研究中，可以以一定淹沒(méi)比、一定回水高度作為條件，探究各個(gè)試驗(yàn)變量之間的關(guān)系，從而推出在同一淹沒(méi)比、其他回水高度下相應(yīng)的變量關(guān)系。

(2) 在不同淹沒(méi)比條件下，試驗(yàn)初期提水量隨耗氣量增加呈線性遞增時(shí)，進(jìn)氣管直徑在3～8mm時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)組合排列近似為同一條直線。試驗(yàn)中后期，由于耗氣量持續(xù)增加使截面含氣率快速減少，提水量增長(zhǎng)速度緩慢。此時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)分布散亂、離散型較大的特征，進(jìn)氣管直徑變化的影響規(guī)律不明顯。

(3) 在不同淹沒(méi)比下的試驗(yàn)得出的提水量隨耗氣量變化的趨勢(shì)相似，初始狀態(tài)耗氣量隨淹沒(méi)比的減小而增大。在耗氣量一定的前提下，提水量隨著淹沒(méi)比的增加而增加。

(4) 在同一淹沒(méi)比、同一回水高度條件下，初始狀態(tài)和提水量達(dá)到峰值時(shí)所需耗氣量隨著泵管外徑的增加而增大。

(5) 應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展高壓氣提水泵泵水效率影響因素的系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，確定該套裝置的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)泵水效率的影響規(guī)律，為提水泵在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)選取提供試驗(yàn)依據(jù)。

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喜 訊

《水資源與水工程學(xué)報(bào)》被中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)(ChineseScienceCitationDatabase，簡(jiǎn)稱CSCD)收錄為2017-2018年度來(lái)源期刊。2017年又被中國(guó)科學(xué)評(píng)價(jià)中心(RCCE)、武漢大學(xué)圖書(shū)館和中國(guó)科教評(píng)價(jià)網(wǎng)聯(lián)合完成的第五版《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊評(píng)價(jià)報(bào)告(2017-2018)》評(píng)價(jià)為A類核心期刊。