局部弯曲对气力提升性能的影响规律及管内流型分析

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1、局部弯曲对气力提升性能的影响规律及管内流型分析曲部分的研究较少，因此合理设计局部弯曲管道对气力提升性能的影响是非常有必要的。尽管气力提升装置结构非常简单，且在国内外得到了广泛应用，可是依旧存在效率低，理论研究不够完善等问题。又由前人研究可知，气液两相流的流动性能和传热传质特性受提升管内流体流动影响较大，而这两特性在某种程度上决定了气力提升装置的提升效率。由此可知，流型研究处于相当关键的地位。基于此，本论文结合气力提升技术的理论研究、实验和数值模拟技术等手段，研究管道局部弯曲对气力提升性能和以管内压力为突破点研究流型。1.3国内外研究

2、状况和发展动态针对气力提升技术，在早期的研究中，Harris,Lorenz,Gibson和Swindin对气力提升装置进行了理论研究，其中Harris分析了气泡的运动，提出了浮力是气泡向上运动的主要动力，得到了气泡尺寸与滑移率之间的关系。在此理论基础上Loren得到了不同水头的伯努利方程，及入口压力，混合液溶液等参数之间的关系。Stapanoff运用热力学理论研究了淹没率空气含有率，压缩空气对气力提升装置效率的影响。三十年后，Nicklin建立了弹状流理论，并对直径，长度，提升管顶部压力和淹没率等因素对气力提升装置效率的影响进行了研

3、究，研究表明管内流型只有在弹状流时才能实现气力提升装置提升的性能，同时，他对气力提升装置工作时重新定义了气力提升装置效率。此后以H.Kato,M.Weber和T.Kawshina等为代表，在高浸入率的条件下（γ>0.85），实验分析了气流量、浸入率和管径等基本参数对气力提升系统排水量、排固量以及提升效率的影响规律，并基于质量方程、动量方程与经验公式对管内混合流体进行了数值模拟研究，为气力提升装置的结构优化设计提供了重要参考。Sharma和Sachdeva研究了影响低侵入率、大直径气力提升装置性能的参数，并提及了流型对气力提升性能存在

4、影响。之后，T.Saito与T.Usami等进行了锰结核气力提升实验（提升高度高达200m,γ>0.7），对管内轴向压力分布特性及波动特性进行了分析，并基于动量定理建立了压力损失模型，但由于未考虑管内流型特征的影响，使得实际压力与固液混合液体流量随浸入率的变化关系与理论值仍存在较大差别。随后，N.Hatta和H.Fujimoto等在∈（0.55,0.8）时分析了气流量与浸入率对气力提升能力的影响规律，并建立了管内混合流体控制方程。他们的研究结果表明气流量为变化的关键诱因，但浸入率对其是否有类似影响尚不明确。T.Charalampos

5、和G.Eedtherios针对于气液两相流在较大浸入率范围进行深入分析，他们的研究结果明在分析气力提升理论模型时务必考虑因浸入率不同而引起的流型差异，且要求气力提升系统尽量避免在低浸入率下工作。2万方数据硕士学位论文S.Z.Kassab和H.A.Kandil等针对对于此在气-液-固三相流体中开展了类似研究，发现当浸入率降低到0.35时，扬固量和提升效率极其低下，可以认为气力提升已失效。这表明气力提升技术应用于固体输送时对侵入率的限制更高，在钻孔水力开采过程中一般要求γ>0.5才认为有利于浆矿输送，但这一要求实际上则抑制了气力提升技术

6、在BNM开采低水位矿层中的应用。因此，探寻低浸入率下流型提升效率的研究势在必行，但遗憾的是现有针对此的研究报告。E.A.Kumar和K.R.V.Kumar等从研究管道结构着手选用三种管型（直管，锥管和阶梯管进行分析，结果表明锥管的扬水能力及效率均高于其余两种。在此基础上，P.Hanafizadeh和M.H.Saidi等对不同锥度的锥管（锥度共有0，1.3，0.5，1，1.5,2和3七组）进行了数值计算研究与实验验证。P.Hanafizadeh和A.Karimi等则对阶梯管道进行分析，通过理论建模与实验研究优化了阶梯结构参数。选择截面

7、为矩形（20mm×80mm）的提升管进行分析，并将其与圆形截面管道进行对比，发现在低气量值下前者提升效率低于后者，但在高气量值下情况恰好相反。他们的研究成果表明合理的管道结构确能改善流型，进而增强气力提升性能。这对于河道清淤或者滨海砂矿开采有一定的指导意义，但对于井孔受限的钻孔水力开采工艺却并不一定适用。这些研究促动了对提升管管道结构参数的研究，但研究者多集中于研究管道长度及管道直径，国内外依旧鲜有文献报道关于局部弯曲管道对气力提升性能及流型的影响。G.J.Parker曾在气液两相流研究中发现，当浸入率较低时（γ=0.5），若将气体

8、喷射器的角度由径向调整为轴向，则提升效率增加，但扬水量仅有微弱变化。为解释这一现象，他尝试在气体喷射器上开孔研究其数量对气力提升性能的影响，但由于方案选择有限并未取得理想的效果。随后，M.F.Khalil和K.A.ElShorbagy