基于Fluent 的螺旋氣力提升泵特性模擬與試驗研究*

何麗晏，彭清林，蘇庚華

（廣東理工學院智能制造學院，廣東 肇慶 526040）

1 研究背景

我國是農業大國，有效排灌是農業生產的重要一環。排灌水體基本為天然湖泊、河流、水庫等。相較于傳統機械排灌泵，氣力提升泵結構簡單、無旋轉部件，同時污染少，符合綠色發展理念，近年來在農業排灌領域受到廣泛關注[1-2]。

目前針對氣力提升泵特性的研究主要分為試驗研究和數值模擬研究。其中，試驗研究主要集中于氣力提升泵性能影響因素研究，包括浸沒比[3]、提升管長度[4]、液體粘度[5]、氣孔數量[6]、氣孔分布、流型[7]等。研究發現，泵的排量和效率是空氣流量、浸沒比和提升管長度的函數。氣力提升泵運行的最佳效率范圍為柱塞流。在氣力提升泵中加裝氣泡生成裝置，可使固體提升量增加至少17%，大氣泡混合物能夠很好地提升水相速度。數值模擬研究可以對流場進行可視化研究，通過與試驗結果對比，可論證數值模型的準確性。

現階段，對于改進后的環形射流泵特性及其在排灌領域應用的研究還不夠深入。為此，本文建立了氣力提升泵數值模型，并與試驗結果對比，驗證了模型的可靠性，利用數值模擬進一步研究了進氣角度、浸沒比對氣力提升泵特性的影響。

2 數值模擬及驗證

2.1 流體運動方程理論基礎

假設流場為定常流場，穩定后可收斂。湍流狀態是各向同性且流體不可壓縮。流體流動遵循質量守恒定律及動量守恒定律。質量守恒方程為

動量守恒方程為

2.2 幾何模型及網格劃分

螺旋氣力提升泵（見圖1） 下泵體一端套接于主泵體內，下泵體和主泵體連接形成可供氣體提升的通道。采用Fluent 軟件對螺旋氣力提升泵進行簡化模擬，將提升管豎直插入蓄水池內，水和氣分別通過泵頭及注氣管線進入提升管，不同形式的泵頭表面有不同角度的注氣管線，使用全結構網格進行劃分（見圖2）。

圖1 螺旋氣力提升泵示意圖

圖2 全結構網格劃分示意圖

2.3 數值方法及邊界條件

基于壓力求解器的Piso 算法進行求解，設置梯度參數離散為Least Squares Cell Based 格式，體積分數、湍流動能離散為Quick 格式，氣體入口邊界使用質量入口，液體入口使用壓力入口，出口選用壓力出口，其余邊界使用wall 邊界。

2.4 模型驗證

將浸沒比為0.8、螺旋氣力提升泵角度分別為0°和5°的試驗數據與模擬結果進行對比并計算誤差，見表1。

表1 試驗數據與模擬結果對比

整體誤差低于15%，對于多相流計算，受限于計算方法和精度影響，此誤差在允許范圍內，且試驗數據與模擬結果的趨勢一致，可以認為數值模型具有較高的可靠性。

3 不同因素下氣力提升泵特性分析

3.1 進氣角度影響

在浸沒比為0.8、氣體流量為250 m3/h 的條件下，探索不同進氣角度對氣力提升泵特性的影響，見圖3。由圖3（a） 可知，當提升系統穩定時，提升管內液體流量隨著進氣角度的增加，先增加后減小。角度增加可對通入氣體進行加速，產生負壓效果，使氣體產生旋動效應，擴大流場作用范圍，降低水底壓持力。由圖3（b） 可知，體積分數越接近1 表明液體在該區域占比越大，反之，體積分數越接近0 則表明氣體在該區域占比越大。進氣角度為0°時，從進氣口到提升管中部，氣體主要聚集在管壁，隨著提升高度的增加，氣體逐漸向提升管中心聚集，帶動液體上升。

圖3 不同進氣角度對氣力提升泵特性的影響

3.2 浸沒比影響

在進氣角度為10°、氣體流量為250 m3/h 條件下，研究不同浸沒比對氣力提升泵特性的影響，見圖4。由圖4（a） 可知，當提升管流體穩定時，液體流量隨著浸沒比的增大，近似線性增長，整體漲幅約0.0016 m3/s。由圖4（b） 可知，在不同浸沒比下，流場變化并不明顯，流體流型均為攪拌流。

圖4 不同浸沒比對氣力提升泵特性的影響

4 結論

本文針對進氣角度、浸沒比和氣體流量對螺旋氣力提升泵特性的影響，開展數值模擬研究，為其在農業排灌中的應用提供理論基礎，從而得出以下結論。

1） 進氣角度對氣力提升泵的液體流量、液體體積分數、徑向速度及提升效率均有明顯影響，最優進氣角度為10°，合理的進氣角度會引起氣體旋流度增加，提高液體流量。

2） 高浸沒比時，氣相分布流型為明顯攪拌流，優于低浸沒比時的環狀流。高浸沒比時，速度躍遷現象更加顯著。