氣力提升管三相流中氣相狀態(tài)對固相運動影響

徐 旭，唐川林，胡 東，徐 浩

(1.湖南工業(yè)大學 水射流研究所，湖南 株洲 412007; 2.湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，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)對固相運動影響

徐 旭1，唐川林2，胡 東2，徐 浩3

(1.湖南工業(yè)大學 水射流研究所，湖南 株洲 412007; 2.湖南人文科技學院 能源與機電工程學院，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)對地下礦漿進行提升時，氣體狀態(tài)(氣相值的大小及其運動特性)對礦漿中礦石的運動及其提升效率將會產生重要影響。基于三相流理論和氣泡動力學理論建立了提升管中固相運動速度模型，以陶瓷球形顆粒模擬礦石，利用自行設計的小型氣力提升系統(tǒng)實驗研究不同運行參數(氣量值、淹沒率)對顆粒提升量的影響，采用高速攝像技術獲取不同氣量值下管內氣-液-固三相流運動圖像序列，通過圖像處理技術分析氣相對固相運動的影響機理并與實驗結果相佐證。結果表明:不同氣量值下，氣泡對顆粒的作用程度及作用形式并不相同;當氣量值較小時，液體對顆粒運動影響較大，此時顆粒數量少、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動，相對于管壁，管芯處顆粒提升速度較大，此時管內整體呈不規(guī)則螺旋上升;持續(xù)增加進氣量，氣體流速過高，管內紊動加強，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，氣量值的變化對管內固相運動的影響更為顯著。實驗結果與理論分析吻合較好，對鉆孔水力開采工程應用具有指導意義。

氣力提升系統(tǒng);固相運動;氣相;高速攝像技術;進氣量

由于我國淺層礦產日趨枯竭，深層礦產的開發(fā)及開采裝置的研究尤為重要。深層礦產因地質條件嚴峻、礦體結構復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施，鉆孔水力開采技術因開采深度大、操作安全系數高、污染少、環(huán)境適應性強等優(yōu)點而被廣泛應用，尤其在易涌水和瓦斯聚集礦區(qū)具有獨特優(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，而且結構簡單、易操作、易維護。但氣力提升管中兩相流(進氣口以下)與三相流(進氣口以上)流動形態(tài)復雜，管中混合流體運動特征及各相運動相互作用機理并不明朗，這些因素直接影響著底層礦漿提升技術的發(fā)展。

目前對氣力提升系統(tǒng)的理論與實驗研究大多集中于系統(tǒng)提升效率、提升管結構、管內流型結構、進氣方式等方面，KATO和MIYAZAWA[1]基于氣-液兩相流理論和動量方程對提升管內氣-液-固混合流體建模，并在不同提升距離、不同管徑下對氣力提升系統(tǒng)特性曲線進行分析，但研究過程中沒有考慮氣泡對顆粒及液體提升的影響。MAHROUS A F[2]等在實驗室條件內對不同工況下固相提升效率進行了研究，并且對影響固相提升的相關參數作了預測分析，結果表明:進氣口處氣流速率不僅對氣力提升效率影響顯著，而且直接決定了進氣口處顆粒分布狀態(tài)，顆粒直徑較大或進氣速率過高氣力提升性能均降低。MARGARIS等[3]分別對顆粒形狀系數及氣相、固相阻力系數進行分析，根據動量守恒定律建立了系統(tǒng)控制方程，仿真結果與實驗數據吻合較好，但文中并未提及氣相與固相關聯(lián)因素對整體性能的影響。CHARALAMPOS[4]及其團隊對不同淹沒率下提升管內流型結構進行研究，建立了不同運行參數下的流型識別圖，得到氣相在管內流型變化過程中起到重要作用，實驗結果對研究提升管內各相流動機理提供了有價值的參考。PANAFIZADEH,SAIDI[5]等在不同管徑、浸沒率下對提升管內氣泡體積變化進行研究，同時考慮了固相運動、液相運動等因素對氣泡體積的影響，結果表明: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動影響較大，氣泡大小及液體提升形態(tài)對系統(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測模型，并利用不規(guī)則石灰石顆粒進行實驗研究，結果表明當管內氣泡數量逐漸增多時，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流場結構發(fā)生明顯轉變，作用機理不明，模型對氣-液兩相流預測精度較高，在氣-液-固三相流工況下模型預測精度較低。胡東、唐川林[7]等通過改進氣舉結構使其提升效率得到增加，根據伯努利方程建立了氣力提升管內各相運動分析模型，對不同氣量值下固相及液相分布狀態(tài)進行了分析，并依此對氣力提升管內流型進行劃分。廖振方、裴江紅[8]對氣力提升系統(tǒng)特性進行了深入研究，分析了氣-液兩相流與氣-液-固三相流下提升管內液相與氣相流動機理，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計新方法，同時對系統(tǒng)整體效率進行了評估。HATTA,OMODAKA[9]分析了氣力提升系統(tǒng)采用不同管結構時管內氣-液-固三相流動態(tài)特征，并根據一維多相流模型與管內氣流流型轉變特征建立了提升系統(tǒng)控制模型，模型對不同氣量值下的排液量與排固量進行了合理預測，但在方程建立及分析過程中并未考慮氣相對液相與固相運動的影響，這成為制約模型應用的主要原因。

弄清氣力提升管內氣相與固相運動特征及相互作用機理對于增強氣力提升系統(tǒng)性能至關重要?，F(xiàn)有研究將三相流中液-固相作為一相并根據兩相流理論分析，缺乏對三相流中固相運動特征的研究，尤其是氣相對固相運動影響的研究尚屬空白。本文將顆粒提升實驗與圖像采集分析相結合，利用高速攝像技術[10]和圖像處理技術對氣力提升管內氣-液-固三相流運動特性進行分析，得到不同氣量值下提升管內固相運動軌跡、速度特征、分布狀態(tài)等，充分考慮固相提升過程中氣相對其運動的影響，并在不同流型下對管內流場變化與各相運動特征作了進一步研究。

1 三相流中固相速度模型

顆粒在提升管中的運動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。因此為方便研究引入阻力系數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，對提升過程中顆粒所受的主要作用力進行分析。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力，顆粒的粒徑及其周圍液體的運動對其提升也起到重要作用，圖中FGL為氣-液混合相對顆粒的推動力，表達式為

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-液混合相對顆粒的作用時間，s。

根據動量守恒定律氣-液混合相速度vGL可表示為

式中，mL為微元內液體質量，kg;mG為微元內氣泡質量，kg;vL為單位時間微元內液體流速，m/s;vG為單位時間微元內氣泡流速，m/s。

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

GS為顆粒在混合流體中的質量:

式中，ρS為顆粒密度，kg/m3。

FV為混合流體黏性阻力:

FP為流體脈動引起的額外阻力:

式中，γ為脈動阻力系數;vP為脈動速度，m/s。

由氣泡動力學理論[11]可知，氣泡在提升管內上浮過程中，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Cd的表達式:

根據牛頓第二定律得顆粒運動方程:

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，假設管中各相混合均勻，令dvS/dt=0時，即可得顆粒提升臨界速度或懸浮速度:

公式在推導的過程中只將顆粒作為球狀考慮，未分析顆粒形狀對其臨界提升速度的影響，現(xiàn)引入形狀系數K對推導結果進行修正，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，液相提升速度受進氣速率的影響且與進氣速率成正比，因此進氣速率為制約氣-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氣速率發(fā)揮著重要作用。同時,進氣速率過大又會制約顆粒與液體的提升，因此實際工況下合理選擇氣量值[12]可使氣力提升系統(tǒng)達到最佳提升性能。所建模型中各變量并非相互獨立，這也是導致三相流中顆粒速度分析復雜的一個重要因素，氣量值的變化導致管中出現(xiàn)不同的流型，不同流型下氣泡與顆粒也將呈現(xiàn)不同的運動趨勢，下面將實驗與圖像處理[13]相結合尋求與模型相匹配的流型。

2 實驗系統(tǒng)及實驗方法

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顆粒提升速率的預測情況，建立了室內小型氣力提升系統(tǒng)，實驗系統(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、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、可調節(jié)水箱;提升系統(tǒng)主要包括氣舉泵、提升管;計量系統(tǒng)主要包括液位計、渦街流量計、天平;圖像采集系統(tǒng)包括高速攝像儀、采集卡、光源、計算機。

圖2 實驗系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of experimental system

實驗前開啟空壓機，壓縮氣體進入凈化器，打開進水閥門，調節(jié)供水箱使提升管內液面達到液位計上標定的刻度，即確定的淹沒率(RS=L/L1,L為進氣口到管內液面距離;L1為進氣口到提升管出口距離)，打開氣體流量調節(jié)閥使氣體通入提升泵，提升管內形成氣舉效應，打開固體顆粒輸送閥門，顆粒跟隨液體在管內提升，混合流體到達氣體分離器后，氣體排出，液體與固體經液固分離器回收循環(huán)利用。實驗中使用的提升管為透明有機玻璃管，管段總長為2 560 mm,外徑為50 mm,內徑為40 mm。實驗測定不同的淹沒率(因室內高度的限制并為滿足實驗要求，分別設置淹沒率RS=0.4，0.5，0.6，0.7，0.8)、氣量值(氣量值取決于空壓機流量閥，由DN40型渦街流量計測量，其測量范圍為0～100 m3/h，并根據課題組已有研究[14]，分別選取氣量值QG=18，25，35，45，55 m3/h)下顆粒提升量。進氣深度Lg(進氣口到提升管底部的距離)過大或過小均不利于提升管對底部顆粒的提升，實驗測得以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導致阻塞等情況出現(xiàn)，實驗測得以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，型號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軟件可進行圖像分析。實驗過程中，高速攝像儀選用焦距范圍為15～85 mm的鏡頭，打開照明燈，調整鏡頭焦距，使拍攝平面與提升管軸心面平行，獲取管內流型圖像序列。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。顆粒提升性能實驗與流場結構拍攝同時進行。

3 實驗結果及分析

3.1 顆粒提升實驗分析

由圖3可知，不同淹沒率RS下，隨進氣速率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。根據對氣力提升機理的分析可知，相同淹沒率下，當氣量值較小時(達到顆粒臨界提升速度之前)，管內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動力。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入提升管，三相流段顆粒同時受到液體與氣泡的影響，不同進氣量下氣相與液相對固相的影響方式并不相同。當QG=12～20 m3/h時，管內液體體積較大，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)，此時管內以稀疏泡狀流為主，液體對顆粒的運動影響明顯[15];當QG=20～30 m3/h時，管內氣泡含量逐漸增大，大氣泡破裂聚合形成密集小氣泡且均勻分散于管內，顆粒被密集小氣泡包裹提升，氣泡對顆粒的提升作用逐漸加強，此時管內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QG=30～40 m3/h時，管內流型以泡狀攪拌流為主，顆粒濃度逐漸趨于最大值，并且液體和氣泡對顆粒的提升作用均趨于最大，同時由于顆粒濃度的增加，管內顆粒碰撞加劇，氣舉泵與提升管振動明顯;繼續(xù)增加氣量值，當QG=40～50 m3/h時，管內紊動加強，氣泡破裂、聚合間隔時間變短，液體則主要貼近管壁呈液膜態(tài)上升，此時管內為混合攪拌流，氣泡與液體已不能對顆粒進行有效提升，顆粒排出量降低。在不考慮少數顆粒無序運動的情況下，所建立的模型合理的預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減少，進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 混合流場中顆粒運動分析

3.2.1氣相對固相提升影響分析

不同流型下氣-液-固三相流的流體力學特性并不相同，因此對不同流型中氣相對固相運動的影響進行分析，圖5為淹沒率RS=0.6時，通過高速攝像系統(tǒng)所獲得的各階段流型特征圖。在進氣初期，液體的拖曳力不足以將顆粒代入管內，顆粒多在吸口底部做無規(guī)則擾動，隨氣量值的增加，當液體拖曳力超過顆粒臨界提升力后，顆粒由管底部吸口進入管內，當QG=12～20 m3/h時，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，此時氣體對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動，提升管出口端顆粒及液體排出量較少，管內整體以稀疏泡狀流為主。當QG=20～30 m3/h時，顆粒與液體排出量逐漸增多，管內橫向截面液流與氣流愈發(fā)密集，氣-液相對顆粒的共同作用力隨之增加，此時密集氣泡的上升成為顆粒提升的主要動力，稀疏顆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，管內流體開始呈現(xiàn)螺旋式上升，在多相流中，當顆粒作旋轉運動時，會產生一個與顆粒運動方向相垂直的Magnus力，此力在氣泡與液流的共同作用下推動著顆粒向管芯運動，且速度不斷增加。當QG=30～40 m3/h時，管內氣-液-固三相流混合較均勻且充滿管內空間，此時氣相在液相的協(xié)助作用下對顆粒的提升力達到最大，顆粒濃度也趨于最大;同時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劇烈。當QG=40～50 m3/h時，管內氣流紊動加劇，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動軌跡，顆粒多為不連續(xù)無規(guī)則的運動，并且氣流的擾動不斷沖破包含氣泡的液流，氣-液混合相對顆粒提升作用迅速減小，此時由于氣量值的增加而導致的提升管晃動對管內流體的運動亦產生一定影響，在工程應用中，當氣量值較大時，應適當對管體添加減震裝置，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作。

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

通過對各氣量值下不同流型及各流型中氣相對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(宏觀反應為管內顆粒濃度及顆粒排出量均先增加后減小[17])，這與理論模型的預測相吻合。

如圖6所示，筆者總結了淹沒率RS=0.6，QG=20～35 m3/h時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)對顆粒的不同作用形式。在已有的研究中彈狀流對顆?；蛞后w的提升作用明顯，氣彈沿管壁上升過程中，與顆粒產生動量交換，使顆粒瞬時速度增加;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)助下直接帶動顆粒上升;在顆粒提升過程中，當周圍氣泡較多時會在顆粒表面附著一層小氣泡，此時顆粒被小氣泡包裹提升，但持續(xù)時間較短，氣泡層會被隨后提升上來的液流所沖散，以此往復;三相流提升過程中，氣泡不僅影響顆粒的運動，對液體的運動及提升也會產生影響，當管內氣泡密度大時，氣泡更多會直接作用影響顆粒的提升，但在其他階段氣泡則會利用液體(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)上部會形成液流密集區(qū)，此區(qū)域內顆粒更多隨液流運動，而下部密集氣泡的運動成為上部液-固相運動的主要動力;當氣量值較大時，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-液相之間產生明顯的滑移，管內不同位置的顆粒速度及運動軌跡隨之發(fā)生變化。

圖6 提升管中氣體對固體不同作用形式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動軌跡，相鄰圖片時間間隔一致，均為T=0.1 s。由圖7可知，當QG=25 m3/h時，顆粒提升距離不斷增加，且由管壁逐漸向管芯運動，前3幅圖中顆粒上升距離較短，此時管內氣流與液流混合不均勻，氣流占據管芯大部并對管壁處液流不斷形成擾動，致使管壁處液流時薄時厚，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動[18]，顆粒所受提升力增強。當QG=35 m3/h時，相同時間內顆粒提升距離顯著增加，此時管內小氣泡濃度達到最大，顆粒濃度也趨于最大，液流與氣泡共同帶動顆粒提升;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動的重要因素，導致有些顆粒速度瞬間增大或減小，管內整體仍呈螺旋式上升。氣-液混合相在顆粒周圍產生相對運動時，局部流場會產生較大速度梯度，其方向與相對運動方向垂直[19]，同時由于周圍顆粒運動產生的擾流影響，顆粒以極不穩(wěn)定的狀態(tài)向管芯運動，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動，依次循環(huán)。

圖7 顆粒運動軌跡Fig.7 Trajectory of particle movement

通過處理提升管內氣-液-固三相流運動視頻可獲得顆粒在此運動過程中的速度特征，圖8為RS=0.6,QG=30 m3/h時提升管內具有代表性的兩個顆粒的速度特征。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，兩個顆粒基本上都在管芯處速度到達最大，這是由于管壁處液流受到氣流的影響厚薄不均勻，對顆粒包裹作用較弱，致使顆粒與氣液相發(fā)生相對滑動，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，內部會發(fā)生顆粒間的碰撞，有些碰撞對顆粒起帶動作用，有些則起阻礙作用，加之管內流體脈動的影響，顆粒在向管芯運動(或向管壁運動)過程中會有瞬時速度減小的情況。

圖8 顆粒瞬時速度分布Fig.8 Distribution of particle instantaneous velocity

4 結 論

(1)基于三相流理論與氣泡動力學理論所建立的提升管中顆粒速度模型較為合理的預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系復雜，因此針對不同工況的模型優(yōu)化有待進一步研究。

(2)隨氣量值的變化，管內氣泡對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下對顆粒進行提升，此時顆粒多沿管壁運動;較高氣量值下，氣泡與液流混合均勻且充滿整個管內空間，此時氣泡在液流的輔助作用下對顆粒的提升力達到最大;持續(xù)增加進氣量，氣流紊動加強，管內流體振蕩和管體振動劇烈，顆粒運動受到嚴重影響。

(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動，提升速度在管芯處較大;隨氣量值的增加，管內呈現(xiàn)不同的流型，泡狀攪拌流階段顆粒運動軌跡(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顆粒帶動提升。

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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)對固相運動影響[J].煤炭學報,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責任編輯許書閣

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

徐 旭(1990—)，男，河北邢臺人，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