高壓氣提水泵耗氣量與提水量關系試驗研究

包 艷， 李海淼， 孫 陽,， 陸明偉

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學 港口海岸與近海工程學院， 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

目前我國仍有部分山區居民和耕地存在用水困難的問題，雖然當地水資源豐富，卻輸送不到需要的地方。同時電網不穩定，利用傳統的電泵站很難解決山區供水問題[1-4]。在自然界和現代工業生產過程中，氣液兩相流現象隨處可見，它與人類的生活和生產密切相關。在能源動力工程中的鍋爐、石油、天然氣的輸送過程、冶金工程中的溶煉爐、化學工程設備中的各式氣-液反應器、生物環境工程中的污水處理過程和造紙過程、水力能發電過程、選礦工程中的浮選過程中都廣泛存在氣液兩相流動[5-10]。對氣液兩相流問題，國內外學者在理論分析、數值計算及實驗研究等方面開展了一些研究工作。氣液兩相流領域開展的試驗研究工作主要涉及流型判別和兩相流運動特性[11-14]。近年來，對于氣液兩相流的研究，除了實驗研究外，數值模擬研究也得到了廣泛的應用。數值模擬可降低實驗研究所需的時間和成本，同時也能獲取實驗研究不能得到的一些重要信息。另一方面，由于氣液兩相流動的研究涉及到偏微分方程，求解往往非常困難，而數值模擬技術能有效解決這個問題[15-17]。通過氣液之間的相互作用機制，可以實現氣液能量的相互轉化，對低水頭水力能的應用具有重要的啟發意義，國內外在此超低水頭水力能應用領域的研究也尚未開展。

2 試驗裝置

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現提水功能的水泵，圖1給出了試驗裝置示意圖，裝置主要由水源、泵管、進氣管、空氣壓縮機等幾部分組成。用空氣壓縮機產生的高壓氣體來模擬從自然界水流中搜集到的高壓氣體。根據連通器原理，水源對進氣管與泵管連接處具有回水高度為T水柱的壓強。當水與進氣管提供的氣體相遇時，產生氣液兩相流。由于氣體進入泵管后，氣液之間發生強烈的摻混，在泵管內導致大量的能量消耗，此時泵管內兩相流動速度為混合物的流動速度。而試驗及工程所需參考的量為純氣量和純提水量，即由空氣壓縮機進入進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系，當在一定回水、需要一定揚程條件下，可根據所需的水量來選擇需要提供相應氣量，大大地節約能量不致浪費。高壓氣體的持續輸入使得液氣混合物密度大大降低，同時，考慮回水高度T水柱的靜壓及高壓氣體的壓強，此時泵管與進氣管連接處的壓強遠遠大于泵管出水口處的大氣壓，形成壓強差。且泵管中氣體上升速度大于液體，氣體在上升過程中對液體微粒具有拖曳力，液體在氣體的帶動下上升。水在壓強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程H處，從而實現泵水的功能。圖1中的管道均為PVC材質。

3 回水高度對耗氣量與提水量關系的影響

將淹沒比ε定義為回水高度T與揚程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氣管連接處高度之差，m； 揚程H為輸水管液面高度以上水泵的提水高度，m。淹沒比可以很好地表達回水高度T與揚程H的關系，為后續試驗過程及數據處理提供具有參考性的類比參數。

取泵管外徑為20mm，探究在不同淹沒比的情況下，回水高度對耗氣量與提水量關系的影響。試驗過程中，在回水高度改變的情況下通過調節進氣管輸入氣體的壓強保持試驗裝置淹沒比不變，并令耗氣量達到一定值時得到的提水量開始滿足本組試驗所要求的淹沒比時作為初始狀態，開始記錄試驗數據。

圖1 氣壓水試驗裝置圖

圖2 ε=0.5時不同回水高度耗氣量與提水量關系

圖3 ε=0.6時不同回水高度耗氣量與提水量關系

圖4 ε=1時不同回水高度耗氣量與提水量關系

由圖2～4可知，在淹沒比一定時，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律相似。當耗氣量到達一定范圍時，在T為3、4、5m條件下的提水量幾乎同時達到峰值。同時，隨著淹沒比的增大，在回水條件一定的情況下，為滿足本組試驗所需要的揚程，試驗初始狀態和提水量達到峰值時所需耗氣量減少。如T=5m的條件下，淹沒比為0.5、0.6、1時的初始狀態耗氣量分別為257、224、108L/h，提水量達到峰值時耗氣量分別為1620、1443、1123L/h。 這是由于當所需揚程一定時，T增加使得回水高度處至進氣管處之間的壓強增大，試驗裝置提水能力提高，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的變化對提水量隨耗氣量增加而變化的趨勢影響有限。

4 進氣管直徑對耗氣量與提水量關系的影響

根據ε值將本組試驗劃分為3組，即在泵管直徑為32mm、T=4m條件下，ε分別為0.5、0.82、1時研究進氣管直徑變化對耗氣量與提水量關系的影響，其結果見圖5～7。由以上ε與T的關系所得結論可知，在同一淹沒比下，不同T時具有近似的變化規律，即本試驗所得數據及結論對其他回水高度條件下的關系仍具有一定參考價值。

由圖5～7可知，試驗初期提水量隨耗氣量增加呈線性遞增時，進氣管直徑在3～8mm范圍內變化對耗氣量與提水量關系的影響并不明顯，即進氣管直徑在3～8mm時的數據點組合排列近似為同一條直線，且不同ε均滿足這一規律。試驗中后期，由于耗氣量持續增加使截面含氣率快速減少，提水量增長速度緩慢。試驗裝置處于此階段時能耗增大、提水效率已過峰值并開始呈現下降的趨勢。同時泵管內由于氣體摻入量過大，使得此時的氣液兩相流處于極不穩定狀態，故所采集的數據點分布較為散亂，離散性較大，進氣管直徑變化的影響規律不明顯。

圖5 ε=0.5時進氣管直徑改變對耗氣量與提水量關系的影響

圖6 ε=0.82時進氣管直徑改變對耗氣量與提水量關系的影響

圖7 ε=1時進氣管直徑改變對耗氣量與提水量關系的影響

5 結 論

(1) 回水高度相同時，試驗初始狀態和提水量達到峰值時所需耗氣量隨著淹沒比的增大而減少。當揚程確定后，回水高度增加使得回水高度處至進氣管處之間的壓強增大，試驗裝置提水能力提高，相同提水量情況下所需的耗氣量減少。從整體看，回水高度的變化對提水量隨耗氣量增加而變化的趨勢影響微弱。在今后研究中，可以以一定淹沒比、一定回水高度作為條件，探究各個試驗變量之間的關系，從而推出在同一淹沒比、其他回水高度下相應的變量關系。

(2) 在不同淹沒比條件下，試驗初期提水量隨耗氣量增加呈線性遞增時，進氣管直徑在3～8mm時的數據點組合排列近似為同一條直線。試驗中后期，由于耗氣量持續增加使截面含氣率快速減少，提水量增長速度緩慢。此時所測數據點呈現分布散亂、離散型較大的特征，進氣管直徑變化的影響規律不明顯。

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

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

(5) 應進一步開展高壓氣提水泵泵水效率影響因素的系統性試驗研究，確定該套裝置的關鍵參數對泵水效率的影響規律，為提水泵在實際工程應用時的系統參數選取提供試驗依據。

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喜 訊

《水資源與水工程學報》被中國科學引文數據庫(ChineseScienceCitationDatabase，簡稱CSCD)收錄為2017-2018年度來源期刊。2017年又被中國科學評價中心(RCCE)、武漢大學圖書館和中國科教評價網聯合完成的第五版《中國學術期刊評價報告(2017-2018)》評價為A類核心期刊。