论文部分内容阅读
摘要：为进一步探索气动冲淤的作用机理和在工程实践中的应用，进行了气动冲淤数值仿真模型研究。采用立面二维水一沙一气三相仿真模型，对气动冲淤中气体及泥沙运动特性进行了探索，并对比了气动冲淤与水射流冲刷的优缺点。结果表明：①采用气动冲淤时，气流冲击到泥沙后向上运动，同时带动泥沙向上运动，随之被水流带走。相同条件下，水射流的冲刷范围大，但气动冲淤的冲沙效率更高，采用气动冲淤能达到较好的清淤效果。②气动冲淤中，气体流速越大，冲刷效果越明显，冲沙率随气体弗劳德数的增大呈线性增大趋势。
关键词：气动冲淤：泥沙：数值仿真模型：气体弗劳德数
中图分类号：TV691
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.007
气动冲淤的设想始于20世纪70年代，最初应用于河口悬沙淤积试验。由于用机械等办法难以在潮水箱内产生浑水，因此对潮水箱进行了改造，用通气管通至潮水箱底，在管道上密布小孔，产生上升气流，改从潮水箱抽气为向潮水箱压气，一气两用，成功地进行了潮汐河口悬沙淤积试验[1]。气动冲淤作为一项新技术，冲沙效率较高，且更为经济、清洁，对常规水力冲刷方式中难以起动的细颗粒泥沙，冲淤效果显著，受到了科技界的关注[2]。
气动冲淤过程是向河底加入空气而形成气、水、沙的联合运动过程，是介于空气动力学、水动力学和固体力学三者的边缘学科，因其涉及学科面广、影响因素较多，故研究难度较大。罗肇森等[1]采用比尺为1：1的物理模型，对气动冲淤中的气泡运动特性、冲刷效率及冲淤管道的布置方式等进行了试验研究：罗勇等[3-4]结合我国黄河流域、河口等区域泥沙淤积量大、小粒径泥沙清淤困难的特点，对气动冲淤在工程实践中的应用进行了有益的探索。本文采用数值仿真模型对物理模型试验进行研究，以期对气动冲淤机理研究和工程应用起到参考和借鉴作用。
1 数值模型
1.1 控制方程
基于Fluent软件，选用欧拉多相流法[5]对气动冲淤机理进行分析。水、沙、气相被处理成互相贯穿的连续介质，各组分的体积分数用αq表示。体积分数代表了每相所占据的空间，每一相独自地满足质量和动量
Chen X等[5.10]利用该模型，对净淤积、净冲刷和平衡输沙情形下的流速和含沙量做了大量验证工作，结果表明计算值与实测值有较好的一致性。
1.3 研究方案
考虑到计算机硬件条件及模拟精度的要求，采用立面二维模型研究气动冲淤效果。选取长1 m、深0.3m的一个矩形渠道，渠道中间有一个高0.2 m、宽0.4 m的沉沙池，沉沙池底部的中间设置两个高0.002 m的气流速度进口，进口的法向方向与渠道方向平行，见图1。采用结构化网格分区域进行网格划分，分不同区域采用不同尺寸。其中：沉沙池中采用0.001 m的网格，矩形渠道中最大网格为0.005 m，见图2。
初始状态下，沉沙池中均为泥沙，渠道中为水，见图3。待水流计算稳定后，速度进口2和速度进口3开始充气并计算。泥沙选用贵港枢纽附近的泥沙，中值粒径dso= 0.017 mm;泥沙密度为2 500 kg/m3。泥沙休止角初步选定为300，根据经验，泥沙的孔隙率选为60%。
计算T况中，M-I为水力喷射冲沙T况，M-2 -M-IO为气动冲淤T况。其中：M-I的水流流速和M-2 T况中的气体流速均为5 m/s，M-3、M-4 T況的气体流速分别为10、15 m/s，M-5 - M-7 T况速度进口1的水流速度为0.3 m/s，M-8- M-IO T况速度进口的水流速度为0.1 m/s，见表1。
紊流模型采用Standard k-ε：压力速度耦合迭代采用SIMPLE算法求解;动量、湍流黏度、湍流动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式进行离散，体积分数用一阶迎风格式离散。
2 气动冲淤机理分析
2.1 水射流和气动冲淤对比
对比T况M一1及M-2模拟结果可知，在相同的冲刷速度（5 m/s）下，采用水力喷射冲沙时，水射流附近沙粒最大速度为2.1 m/s，由于流体动量和密度较大，因此泥沙运动方向与孔口射流方向保持一致，冲击到沉沙池壁面后，左半部分泥沙在水流的作用下在沉沙池内形成纵向环流，靠近壁面的泥沙由射流带向下游。采用气动冲淤法时，气流冲击到泥沙后，受阻力和气体浮力的影响，气流扰动沉沙池内泥沙并使其向上运动，沙粒相向上的最大速度为2.3 m/s，扬动的泥沙到达沉沙池上方后被水流带向下游。图4-图6对比了两种冲沙方式在不同时间泥沙的运行特性。
（l）二者均可扬动泥沙并将其带人下游。相对于气动冲淤，水力喷射冲沙的冲沙范围更大，在原型中可将其布置在河道的靠岸侧。采用气动冲淤时，气流接触到泥沙后即改变其运动方向，使其向上运动，其影响范围仅在出气孔上方。
（2）因水体的密度较大，故射流在竖直方向扩散较慢，相对于气动冲淤，泥沙不易扬动或扬动的泥沙较易沉入水下：气动冲淤中，在气泡浮力的作用下，泥沙扬动明显，且气泡最终浮出水面，泥沙可被带至较高处，在相同的渠道流速下，扬动的泥沙能被输送到下游更远处。
（3）对比二者的冲沙效果可知，在矩形渠道水流速度为0.5 m/s、采用5m/s的射流流速时，7s后沉沙池内还有部分泥沙存留，20 s时仍有部分泥沙存在于水射流产生的立轴环流里：若采用气动冲淤，则尽管气泡的作用范围仅在喷气管上方，但其上升的气泡流带动周围的水体也向上运动，气泡流附近的泥沙上升速度较大，7s内沉沙池中的泥沙已绝大部分被冲走。
罗勇等[3]的研究表明，由于排气形成上升流，水体流速增大，排气管处的流速可比无压缩空气溢出时增大5-10倍。气动冲淤与水力喷射冲沙的对比见表2，可以看出气动冲淤法扰动泥沙强烈，具有更大的潜力。 2.2 气流运动特性分析
为进一步分析气流特性对泥沙的影响，对M-2-M-4 工况3种不同冲沙气流速度的气流场进行了分析，见图7、图8（Vait为气体流速，Vater为水流速度）。由各时刻的含气量Cait（沉沙池中气体体积与沉沙池体积的比值）可知：
（1）在冲沙的初始时刻，气流从喷口垂直射向沙床，在沙床的阻力作用下水平向速度迅速下降，在浮力的作用下快速浮出水面。气流在向上运动的过程中受沙床阻力的影响，形成向上运动的挟沙气团，扬动沉沙池中泥沙。
（2）在冲刷过程中，气流在向上的过程中会出现左右摇晃的流态，加大了沉沙池中流态的紊乱程度，冲沙效率较高。
（3）在冲沙过程中，各工况下沉沙池中含气量随时间上下波动，总体上随气流速度的增大略有增大，水流速度为0.1 m/s、气体速度分别为5、10、15 m/s时，最大含气量Cait分别为0. 20、0.26、0.30;水流流速为0.5 m/s，气体速度分别为5、10、15 m/s时，最大含气量Cait分别为0.22、0.31、0.32。相同气体速度下，水流流速越大，含气量越大，但增幅很小，如气流速度为15 m/s、水流速度为0.1 m/s时含气量为0.30，仅比气流速度为15 m/s、水流流速为0.5 m/s时的最大含气量小0.02。
2.3 泥沙运动特性分析式中：g为重力加速度;h为气孔特征高度，本文取0.002 m。
冲沙率随气体弗劳德数的变化情况见图9。
工况M-2沉沙池泥沙体积及质量随冲淤时间的变化见图10，M-2 - M-4工况沉沙池中泥沙质量随冲沙时间的变化见表3.由图10及表3可知：
（1）在各冲刷流速下，靠近气孔及气孔上方的泥沙在气流的作用下迅速向上扬动并被水流带向下游。由于附近泥沙的填补，沉沙池内沙床床面基本上保持整体下降趋势，直至被全部冲走。
（2）在矩形渠道流速一定的条件下，气体流速越大，冲沙效果越明显。气流以5 m/s的流速运行7s时，沉沙池内绝大部分泥沙被冲走;气流速度增至10m/s时，5.5 s即可将沉沙池内泥沙基本冲走：气流速度增至15 m/s后.4.5 s即可将泥沙基本冲走。3结论
（1）采用气动冲淤时，气流冲击到泥沙后，受到泥沙和水体阻力以及浮力的共同作用，气体运动方向向上，同时搅动沉沙池内泥沙，带动泥沙向上运动，随之泥沙被水流带走。对比水射流和气体射流的冲沙效果可知，相同条件下，水射流的冲刷范围大，但气动冲淤的冲沙效率更高，采用气动冲淤能达到较好的清淤效果。
（2）气动冲淤中，气体流速越大，冲刷效果越明显。其冲沙率随气体弗劳德数的增长呈线性增大趋势。
（3）气动冲淤影响因素较多，水、沙、气三相之间相互作用较为复杂，因此气体在高含沙水流中的运动特性、气动冲淤管道在实际工程中的布置方式等还有待进一步研究。
参考文献：
[1] 罗肇森，罗勇，一种治沙输沙的新理念和方法[J].泥沙研究，2009（4）：31-38.
[2] 江恩慧，王远见，张原锋，等，黄河泥沙研究新进展[J].人民黄河，2016，38（10）：24-31.
[3] 罗勇，窦希萍，罗肇森，“气动冲淤”法治理黄河泥沙的一点思考[J].水利学报，2007，38（增刊1）：276-282.
[4] 罗勇，气动法防止常州新闸泥沙淤积试验研究[R].南京：南京水利科學研究院，2001：28-41.
[5]
CHEN X，LI Y，NIU X J，et al.A Ceneral Two-Phase Tur-bulent Flow Model Applied to the Study of SedimentTransport in Open Channels[ J]. International Journal ofMultiphase Flow， 2011， 37（9）：1099-1108.
[6]李孟，李向阳，王宏智，等，鼓泡塔气液两相流不同曳力模型的数值模拟[J].过程工程学报，2015，15（2）：181-189.
[7]
XIANC M， CHEUNC S C P，TU J Y，et al.Numerical Re-search on Drag Reduction by Ventilated Partial Cavity Basedon Two-Fluid Model[J]. Ocean Engineering， 2011， 38：2023-2032.
[8]
ALIV，SHELDON I G.Drag and Lift Coefficients of InclinedFinite Circular Cylinders at Moderate Reynolds Numbers[ J].Computers&Fluids， 2009， 38： 1771-1781.
[9]
TAM C K W. The Drag on a Cloud of Spherical Particles inLow Reynolds Number Flow[ J]. Journal of Fluid Mechanics，1969，38： 537-546.
[10]
CHEN X，YU X P.A Numerical Study on Oscillatory Flow-Induced Sediment Motion over Vortex Ripples[J].Joumalof Physical Oceanography， 2015， 45： 228-245.
关键词：气动冲淤：泥沙：数值仿真模型：气体弗劳德数
中图分类号：TV691
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.007
气动冲淤的设想始于20世纪70年代，最初应用于河口悬沙淤积试验。由于用机械等办法难以在潮水箱内产生浑水，因此对潮水箱进行了改造，用通气管通至潮水箱底，在管道上密布小孔，产生上升气流，改从潮水箱抽气为向潮水箱压气，一气两用，成功地进行了潮汐河口悬沙淤积试验[1]。气动冲淤作为一项新技术，冲沙效率较高，且更为经济、清洁，对常规水力冲刷方式中难以起动的细颗粒泥沙，冲淤效果显著，受到了科技界的关注[2]。
气动冲淤过程是向河底加入空气而形成气、水、沙的联合运动过程，是介于空气动力学、水动力学和固体力学三者的边缘学科，因其涉及学科面广、影响因素较多，故研究难度较大。罗肇森等[1]采用比尺为1：1的物理模型，对气动冲淤中的气泡运动特性、冲刷效率及冲淤管道的布置方式等进行了试验研究：罗勇等[3-4]结合我国黄河流域、河口等区域泥沙淤积量大、小粒径泥沙清淤困难的特点，对气动冲淤在工程实践中的应用进行了有益的探索。本文采用数值仿真模型对物理模型试验进行研究，以期对气动冲淤机理研究和工程应用起到参考和借鉴作用。
1 数值模型
1.1 控制方程
基于Fluent软件，选用欧拉多相流法[5]对气动冲淤机理进行分析。水、沙、气相被处理成互相贯穿的连续介质，各组分的体积分数用αq表示。体积分数代表了每相所占据的空间，每一相独自地满足质量和动量
Chen X等[5.10]利用该模型，对净淤积、净冲刷和平衡输沙情形下的流速和含沙量做了大量验证工作，结果表明计算值与实测值有较好的一致性。
1.3 研究方案
考虑到计算机硬件条件及模拟精度的要求，采用立面二维模型研究气动冲淤效果。选取长1 m、深0.3m的一个矩形渠道，渠道中间有一个高0.2 m、宽0.4 m的沉沙池，沉沙池底部的中间设置两个高0.002 m的气流速度进口，进口的法向方向与渠道方向平行，见图1。采用结构化网格分区域进行网格划分，分不同区域采用不同尺寸。其中：沉沙池中采用0.001 m的网格，矩形渠道中最大网格为0.005 m，见图2。
初始状态下，沉沙池中均为泥沙，渠道中为水，见图3。待水流计算稳定后，速度进口2和速度进口3开始充气并计算。泥沙选用贵港枢纽附近的泥沙，中值粒径dso= 0.017 mm;泥沙密度为2 500 kg/m3。泥沙休止角初步选定为300，根据经验，泥沙的孔隙率选为60%。
计算T况中，M-I为水力喷射冲沙T况，M-2 -M-IO为气动冲淤T况。其中：M-I的水流流速和M-2 T况中的气体流速均为5 m/s，M-3、M-4 T況的气体流速分别为10、15 m/s，M-5 - M-7 T况速度进口1的水流速度为0.3 m/s，M-8- M-IO T况速度进口的水流速度为0.1 m/s，见表1。
紊流模型采用Standard k-ε：压力速度耦合迭代采用SIMPLE算法求解;动量、湍流黏度、湍流动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式进行离散，体积分数用一阶迎风格式离散。
2 气动冲淤机理分析
2.1 水射流和气动冲淤对比
对比T况M一1及M-2模拟结果可知，在相同的冲刷速度（5 m/s）下，采用水力喷射冲沙时，水射流附近沙粒最大速度为2.1 m/s，由于流体动量和密度较大，因此泥沙运动方向与孔口射流方向保持一致，冲击到沉沙池壁面后，左半部分泥沙在水流的作用下在沉沙池内形成纵向环流，靠近壁面的泥沙由射流带向下游。采用气动冲淤法时，气流冲击到泥沙后，受阻力和气体浮力的影响，气流扰动沉沙池内泥沙并使其向上运动，沙粒相向上的最大速度为2.3 m/s，扬动的泥沙到达沉沙池上方后被水流带向下游。图4-图6对比了两种冲沙方式在不同时间泥沙的运行特性。
（l）二者均可扬动泥沙并将其带人下游。相对于气动冲淤，水力喷射冲沙的冲沙范围更大，在原型中可将其布置在河道的靠岸侧。采用气动冲淤时，气流接触到泥沙后即改变其运动方向，使其向上运动，其影响范围仅在出气孔上方。
（2）因水体的密度较大，故射流在竖直方向扩散较慢，相对于气动冲淤，泥沙不易扬动或扬动的泥沙较易沉入水下：气动冲淤中，在气泡浮力的作用下，泥沙扬动明显，且气泡最终浮出水面，泥沙可被带至较高处，在相同的渠道流速下，扬动的泥沙能被输送到下游更远处。
（3）对比二者的冲沙效果可知，在矩形渠道水流速度为0.5 m/s、采用5m/s的射流流速时，7s后沉沙池内还有部分泥沙存留，20 s时仍有部分泥沙存在于水射流产生的立轴环流里：若采用气动冲淤，则尽管气泡的作用范围仅在喷气管上方，但其上升的气泡流带动周围的水体也向上运动，气泡流附近的泥沙上升速度较大，7s内沉沙池中的泥沙已绝大部分被冲走。
罗勇等[3]的研究表明，由于排气形成上升流，水体流速增大，排气管处的流速可比无压缩空气溢出时增大5-10倍。气动冲淤与水力喷射冲沙的对比见表2，可以看出气动冲淤法扰动泥沙强烈，具有更大的潜力。 2.2 气流运动特性分析
为进一步分析气流特性对泥沙的影响，对M-2-M-4 工况3种不同冲沙气流速度的气流场进行了分析，见图7、图8（Vait为气体流速，Vater为水流速度）。由各时刻的含气量Cait（沉沙池中气体体积与沉沙池体积的比值）可知：
（1）在冲沙的初始时刻，气流从喷口垂直射向沙床，在沙床的阻力作用下水平向速度迅速下降，在浮力的作用下快速浮出水面。气流在向上运动的过程中受沙床阻力的影响，形成向上运动的挟沙气团，扬动沉沙池中泥沙。
（2）在冲刷过程中，气流在向上的过程中会出现左右摇晃的流态，加大了沉沙池中流态的紊乱程度，冲沙效率较高。
（3）在冲沙过程中，各工况下沉沙池中含气量随时间上下波动，总体上随气流速度的增大略有增大，水流速度为0.1 m/s、气体速度分别为5、10、15 m/s时，最大含气量Cait分别为0. 20、0.26、0.30;水流流速为0.5 m/s，气体速度分别为5、10、15 m/s时，最大含气量Cait分别为0.22、0.31、0.32。相同气体速度下，水流流速越大，含气量越大，但增幅很小，如气流速度为15 m/s、水流速度为0.1 m/s时含气量为0.30，仅比气流速度为15 m/s、水流流速为0.5 m/s时的最大含气量小0.02。
2.3 泥沙运动特性分析式中：g为重力加速度;h为气孔特征高度，本文取0.002 m。
冲沙率随气体弗劳德数的变化情况见图9。
工况M-2沉沙池泥沙体积及质量随冲淤时间的变化见图10，M-2 - M-4工况沉沙池中泥沙质量随冲沙时间的变化见表3.由图10及表3可知：
（1）在各冲刷流速下，靠近气孔及气孔上方的泥沙在气流的作用下迅速向上扬动并被水流带向下游。由于附近泥沙的填补，沉沙池内沙床床面基本上保持整体下降趋势，直至被全部冲走。
（2）在矩形渠道流速一定的条件下，气体流速越大，冲沙效果越明显。气流以5 m/s的流速运行7s时，沉沙池内绝大部分泥沙被冲走;气流速度增至10m/s时，5.5 s即可将沉沙池内泥沙基本冲走：气流速度增至15 m/s后.4.5 s即可将泥沙基本冲走。3结论
（1）采用气动冲淤时，气流冲击到泥沙后，受到泥沙和水体阻力以及浮力的共同作用，气体运动方向向上，同时搅动沉沙池内泥沙，带动泥沙向上运动，随之泥沙被水流带走。对比水射流和气体射流的冲沙效果可知，相同条件下，水射流的冲刷范围大，但气动冲淤的冲沙效率更高，采用气动冲淤能达到较好的清淤效果。
（2）气动冲淤中，气体流速越大，冲刷效果越明显。其冲沙率随气体弗劳德数的增长呈线性增大趋势。
（3）气动冲淤影响因素较多，水、沙、气三相之间相互作用较为复杂，因此气体在高含沙水流中的运动特性、气动冲淤管道在实际工程中的布置方式等还有待进一步研究。
参考文献：
[1] 罗肇森，罗勇，一种治沙输沙的新理念和方法[J].泥沙研究，2009（4）：31-38.
[2] 江恩慧，王远见，张原锋，等，黄河泥沙研究新进展[J].人民黄河，2016，38（10）：24-31.
[3] 罗勇，窦希萍，罗肇森，“气动冲淤”法治理黄河泥沙的一点思考[J].水利学报，2007，38（增刊1）：276-282.
[4] 罗勇，气动法防止常州新闸泥沙淤积试验研究[R].南京：南京水利科學研究院，2001：28-41.
[5]
CHEN X，LI Y，NIU X J，et al.A Ceneral Two-Phase Tur-bulent Flow Model Applied to the Study of SedimentTransport in Open Channels[ J]. International Journal ofMultiphase Flow， 2011， 37（9）：1099-1108.
[6]李孟，李向阳，王宏智，等，鼓泡塔气液两相流不同曳力模型的数值模拟[J].过程工程学报，2015，15（2）：181-189.
[7]
XIANC M， CHEUNC S C P，TU J Y，et al.Numerical Re-search on Drag Reduction by Ventilated Partial Cavity Basedon Two-Fluid Model[J]. Ocean Engineering， 2011， 38：2023-2032.
[8]
ALIV，SHELDON I G.Drag and Lift Coefficients of InclinedFinite Circular Cylinders at Moderate Reynolds Numbers[ J].Computers&Fluids， 2009， 38： 1771-1781.
[9]
TAM C K W. The Drag on a Cloud of Spherical Particles inLow Reynolds Number Flow[ J]. Journal of Fluid Mechanics，1969，38： 537-546.
[10]
CHEN X，YU X P.A Numerical Study on Oscillatory Flow-Induced Sediment Motion over Vortex Ripples[J].Joumalof Physical Oceanography， 2015， 45： 228-245.