盖瑟泵的性能研究与流场的CFD模拟

1、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

2、，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

3、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: 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

4、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。2 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

5、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3 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

6、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

7、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见的两相流流型为气泡流与弹状流。在孙宝江2、Matuszkiewicz5等人的文献中，弹状流只有在小直径垂直管中以及低空气流速当中才有可能出现，当气泡流中的空气速度超过一定范围后，流型直接变为乳状流，而乳状流是高度紊乱的，整个流动过程有剧烈的振动与搅拌，失去了工程应用的意义。因为弹状流出现的条件很苛刻，所以在空气泵中的典型流型为气泡流。在孙宝江等人2的文献中，当=0.15m/s时（表观流速表

8、示垂直管的空气的实际速度，其中A为垂直管的横截面积）会出现典型的气泡流，而气泡流的平均截面含气率一般都在9%以下。在等截面的垂直圆管中，平均截面的含气率（为垂直管中的含气率）。因此在计算空气泵的垂直管底端的压强差时取=9% 。把=9%代入公式（3）与（2）中得，1=0.09gh 。而在盖瑟泵中（图1），在垂直圆管中，两相流很容易形成Taylor气泡，流型为弹状流又称段塞流。垂直管的含气率在这一时刻理论上可以达到=100%，代入公式（3）（2）中，2=gh。2/1=gh/0.09gh11.1因此，根据这种模型的理论分析，盖瑟泵的压头是空气泵的10倍以上。3.2有限元分析双相流流体模型是80年代出

9、现的一种湍流模型,它能描述在空间同一位置上流体的不同状态。双流体模型的基本思想3是认为湍流流场(有或没有化学反应)可以看作两种流体各自的运动及其相互作用的综合;两种流体共存,这既可理解为在一个有限空间单元体中,两种流体各占据一部分体积,也可理解成在一个空间位置上两种流体各以一定的几率出现;两种流体可以当作互相穿透的连续介质处理(Interpenetrating Continue),它们的运动规律遵守各自的控制微分方程组;两种流体之间可能存在着质量、动能和能量方面的相互作用。4本文对盖瑟泵与空气泵分别建立了气液两相流模型，采用ANSYS FLUENT12.0作为计算软件，对盖瑟泵与空气泵的气液流

10、动状况进行有限元模拟计算。而在FLIUENT的多相流模型总共有四种：DPM模型 、VOF模型、Eulerian模型与Mixture模型。3.2.1 模型的建立在盖瑟泵中，垂直圆管里形成了典型的Taylor气泡，气液分界面明显，因此选用VOF模型。VOF公式依靠的是两种或多种流体没有相互穿插这一事实。对增加到模型里的每一附加相，就引进一个变量：即计算单元里的相的容积比率。跟踪相之间的界面是通过求解一相或多相的容积比率的连续方程来完成的。对于第q相，容积比率方程为 （7）默认情况下方程（7）的右端的源项为0.容积比率方程不是为主相求解的，主相的容积比率的计算基于如下的约束 （8）而VOF的动量方程

11、为： （9） 在这次VOF模型的模拟中，用SWEEP网格划分方法划分自由液面的网格，其他用Automatic的方法。节点数为49202个，单元数为178441个。计算方法为PISO算法，湍流模型为K-epsilon模型。3.2.2 分析结果下面图2到图5为盖瑟泵运行的整个过程的四个时间点时气含率分布图。这四幅图分别模拟了空气进入储气罐，形成初始的Taylor气泡，形成完整的Taylor气泡与液体向上提升的过程。经过一个这样的完整的周期后，盖瑟泵继续重复这一过程。因此Taylor气泡形成的弹状流是间歇的。图 2空气排空储罐内的液体开始进入垂直管时的气体分布云图图 3空气进入垂直管内形成气泡图 4

12、空气在垂直管中形成Taylor气泡图 5 储罐内重新充满液体由图6可知在0S到1.3秒的时间段中，空气在储气罐中积累，因此垂直管中的气含率保持不变为0。从1.3S到2.2秒的时间段中，储气罐中的空气迅速释放到垂直管中形成Taylor气泡，并且在2.2时气泡最大化，这时垂直管中的气含率未达到理论值的100%的原因是Taylor气泡的尾端有液体以及垂直管壁面上有液体。2.2秒到3.2秒时间段，Taylor气泡从垂直管上端释放，并且带动液体提升。这时液体又重新充满储气罐。到3.2秒时，下一个循环开始。图 6 垂直管中气含率随时间变化图根据图7得出，在空气泵中，垂直管的下端面的压强为891.6Pa。而

13、盖瑟泵的下端面的压强达打到了6397Pa。因此盖瑟泵要比空气泵的吸力与扬程都要大很多。图 7 盖瑟泵与空气泵压强云图对比3.2.3 Taylor气泡在夏国栋等人的文献中6，弹状流中的Taylor气泡的长度为1620D，D为垂直管的直径，并且这里的垂直管必须是小直径。而在盖瑟泵中，经过充分发展的Taylor的气泡的长度会超过20D。图8 2.2秒时气含率沿垂直管轴向分布图在陈振瑜等人的文献中7，垂直管弹状流最基本的特征就是气液交替流动。气是指 Taylor 气泡 ,液是指两个 Taylor 气泡之间的液弹。Taylor气泡和液弹长度沿管道的发展可作如下解释:短液弹后面的气泡移动速度通常比长液弹后

14、面的气泡移动速度快 ,因此它可以追上前面的气泡 ,在气泡结合过程中 ,液弹长度和 Taylor气泡长度均增加;一旦所有的液弹尾部速度完全发展 ,并且液弹两端 Taylor气泡传输速度相同时 ,气泡合并的情况就结束了。而在盖瑟泵中，Taylor气泡的原因是空气在储气罐中积累到一定的程度瞬间释放，产生了Taylor气泡，因此Taylor气泡产生将会更稳定，限制条件就会更少。4 结束语本文介绍了盖瑟泵的性能，并且对盖瑟泵的关键流型弹状流做了简单的分析。盖瑟泵在国内目前还未得到应用，但是其简单的结构、优越的性能必然会在一定范围内代替空气泵，例如在污水处理的提砂过程中。有限元分析的结果表明盖瑟泵的性能提

15、升的原因，并且为盖瑟泵的性能研究提供了一定的理论依据。这种相对高效、高可靠性的设计研发手段也为今后其他产品的研发提供了一些有价值的经验参考。参考文献：1 G W戈威尔,K阿济兹.复杂混合物在管道中的流动(上、下)M.权忠舆,译.北京:石油工业出版社,1986.2孙宝江，颜大椿.垂直气液两相管流中的空隙率波测量J.北京大学学报（自然科学版），1999，35（5）3 范维澄. 一种新的壁面函数J.工程热物理学报,1987,8(1):914 罗运柏，闻建平，刘明言，胡宗定.液逆流鼓泡塔中的气含率与液速分布和数值模拟J.化学反应工程与工艺 1998，35Matuszkiewicz A,Flamand,

16、Boure J A.The Bubble Slug Flow Pattern Transtion and Instability of VoidJFraction Waves.Int J Multiphase Flow,1987,13(2):1992176夏国栋,刘亮,马重芳等.气液两相弹状流动的实验研究：液弹长度及 Taylor 气泡长度份额J.北京工业大学学报,2000 ,26 (2) :35 - 38.7陈振瑜，李志彪，何利民，何衍军.垂直管气液两相弹状流流动特性研究进展J.管道技术与设备.2005,(4) PERFORMANCE RESEARCH AND CFD SIMULATION

17、OF GEYSER PUMP Kan Chen Yan Zhen Hua Fan Deshun Xu Hong(College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)Abstract: Geyser pump discussed in this article is a improvement of air pump. Because it is easy to produce slug flow, the geyser

18、 pump can overcome weakness of the traditional air pump such as low suction, low head .The two-phase flow of the geyser pump can be checked in this paper to simulate the process of Taylor bubbles by the use of ANSYS which is famous finite element analysis software. Finite element analysis also shows that the geyser pump is better th