盖瑟泵的性能研究与流场的CFD模拟..doc

盖瑟泵的性能研究与流场的CFD模拟 阚琛 杨振华 范德顺 徐鸿 (北京化工大学 机电工程学院，北京 100029) 摘 要：本文介绍一种改进型的空气泵：盖瑟泵（geyser pump）。由于盖瑟泵容易在垂直管路中形成弹状流，因而能够克服传统空气泵的吸力低、扬程短等不足之处。利用有限元分析软件（ANSYS FLUENT 12.0）对盖瑟泵中的两相流进行分析，模拟出Taylor气泡的产生过程，并且通过与传统空气泵在压强与速度方面的对比，表明盖瑟泵性能优于空气泵。有限元分析的结果为盖瑟泵的性能的可靠性提供了一定的理论依据。 关键词：盖瑟泵；弹状流；Taylor气泡；有限元 中图分类号： 1 引言 空气泵又叫气体泵，常常用于污水池以提取污泥或沉砂，也可以应用在渔业和农业中，并已广泛用于有毒流体的处理、生化反应器设计和核工业中。一般认为空气泵是德国人Carl E. Loesche在1797年首先发明的。可是首次应用在工业生产中却是在二十世纪的中期。典型的提液空气泵就是一根垂直插入液体中的提液管道，其唯一的动力就是由压缩机提供的压缩空气。 压缩空气从提液管在液下的底部入口处注入，在管内的液体中产生大量气泡。由于管内含空气气泡的液体的平均密度要比管外的无气泡液体的密度低很多，因此，一方面，管内气泡的迅速浮动上升会推动管内液体也做上升运动，另一方面，在底部入口截面上，管内带气泡的液柱对该截面的压力大大低于管外无气泡液体对该截面的压力，会导致管外液体通过该入口截面被吸入管内，并向上流动。只要连续注入的空气流量足够大，这种管外液体进入管内并沿提升管向上的运动就能连续发生，维持连续输送液体的泵送作用。 空气泵最大的优点是它结构简单，没有运动零件。然而它也有以下明显的缺点：吸力低导致扬程低；液体流速不稳定且难于控制；提升管要求潜水率大且容易堵塞；压缩空气能量的利用效率低，导致能耗大。为了克服空气泵的这些缺点，美国北卡 收稿日期： 第一作者：男，1986年生，硕士生 *通讯联系人 E-mail: fandeshun111@ 罗来纳州立大学的学者发明了一种新型的空气泵，并命名为盖瑟泵（geyser pump，“geyser”是间歇喷泉的意思）。 由于盖瑟泵的性能上的优势，自1999年发明以来，在全世界范围里获得了广泛的应用，已经在很大程度上取代了传统的空气泵。 盖瑟泵的结构以及原理介绍 2.1结构与原理介绍 图1为安装在一个储液罐中的盖瑟泵。它 是由一个特殊的储气罐与一些管道组成的。盖瑟泵也是安装在一根垂直的液体提升管的底部。进入到储气罐外壳内的压缩空气不会立刻被释放到垂直管中而是在外壳里积累，这时外壳与内部构件里有一个空气团。当外壳里的空气积累到一定程度后，一个大体积的空气团立刻释放到垂直管中，形成一个直径等于管内径且轴向长度很长的圆柱状的Taylor 气泡。由于Taylor 气泡是间歇形成的，因此盖瑟泵的运行也是间歇式的。 2.2盖瑟泵的种类 盖瑟泵根据不同的用途与性能可分为四种： 1.原始盖瑟泵；2.闭式底部盖瑟泵；3.组合泵；4.高扬程止回阀盖瑟泵。本文用原始盖瑟泵与传统的空气泵在性能方面进行比较。 图 1盖瑟泵的结构 盖瑟泵的性能分析 3.1理论分析 空气泵输送流体的研究目前有一方面集中在具体应用上，虽然空气泵的几何结构比较简单，但是运行原理却很复杂。因此泵流体模型简化为两相流空气泵。在此模型中，气相与液相都是沿垂直圆管并行向上流动的。 垂直管内气液两相向上流动的流型一般可划分为气泡流、弹状流、过渡流、乳沫流。而空气泵的典型流型为气泡流。 由于两相流的模型以及求解公式非常复杂，建立简化模型进行理论分析以及使用数值模拟的办法对于分析两相流是十分必要的。因此，在比较空气泵与盖瑟泵的性能的时候，采用理想流体管流的机械能守恒，忽略了各种摩擦以及粘度，根据伯努利方程： （1） 在垂直管的底端分析在底端截面的压强差，这时位能一样，动能也假设一样。因为垂直管中存在气泡，所以密度发生了变化。因此可以简化伯努利方程得： gh （2） 其中为储液罐中的流体密度，为垂直管中的流体密度。在这个两相流模型中，空气假设是不可压缩流体，水也是不可压缩流体。所以，其中为储液罐中水的密度。，其中为垂直管中两相流的密度。因此 （3） 其中为空气的密度，为气含率。在这个模型中确定气含率的数值十分关键。Hill提出气液垂直并行向上的流体气含率的理论表达式为 （4） 其表达式为微分形式。后来也有对气含率实验数据回归计算提出的经验关联式，但都比较复杂，并且使用情况、与实验对比的误差率都不是很理想。但是可以根据以前的研究总结，得出空气泵中垂直管中大概的含气率。工程应用当中较为常