基于Fluent 的螺旋气力提升泵特性模拟与试验研究*

何丽晏，彭清林，苏庚华

（广东理工学院智能制造学院，广东 肇庆 526040）

1 研究背景

我国是农业大国，有效排灌是农业生产的重要一环。排灌水体基本为天然湖泊、河流、水库等。相较于传统机械排灌泵，气力提升泵结构简单、无旋转部件，同时污染少，符合绿色发展理念，近年来在农业排灌领域受到广泛关注[1-2]。

目前针对气力提升泵特性的研究主要分为试验研究和数值模拟研究。其中，试验研究主要集中于气力提升泵性能影响因素研究，包括浸没比[3]、提升管长度[4]、液体粘度[5]、气孔数量[6]、气孔分布、流型[7]等。研究发现，泵的排量和效率是空气流量、浸没比和提升管长度的函数。气力提升泵运行的最佳效率范围为柱塞流。在气力提升泵中加装气泡生成装置，可使固体提升量增加至少17%，大气泡混合物能够很好地提升水相速度。数值模拟研究可以对流场进行可视化研究，通过与试验结果对比，可论证数值模型的准确性。

现阶段，对于改进后的环形射流泵特性及其在排灌领域应用的研究还不够深入。为此，本文建立了气力提升泵数值模型，并与试验结果对比，验证了模型的可靠性，利用数值模拟进一步研究了进气角度、浸没比对气力提升泵特性的影响。

2 数值模拟及验证

2.1 流体运动方程理论基础

假设流场为定常流场，稳定后可收敛。湍流状态是各向同性且流体不可压缩。流体流动遵循质量守恒定律及动量守恒定律。质量守恒方程为

动量守恒方程为

2.2 几何模型及网格划分

螺旋气力提升泵（见图1） 下泵体一端套接于主泵体内，下泵体和主泵体连接形成可供气体提升的通道。采用Fluent 软件对螺旋气力提升泵进行简化模拟，将提升管竖直插入蓄水池内，水和气分别通过泵头及注气管线进入提升管，不同形式的泵头表面有不同角度的注气管线，使用全结构网格进行划分（见图2）。

图1 螺旋气力提升泵示意图

图2 全结构网格划分示意图

2.3 数值方法及边界条件

基于压力求解器的Piso 算法进行求解，设置梯度参数离散为Least Squares Cell Based 格式，体积分数、湍流动能离散为Quick 格式，气体入口边界使用质量入口，液体入口使用压力入口，出口选用压力出口，其余边界使用wall 边界。

2.4 模型验证

将浸没比为0.8、螺旋气力提升泵角度分别为0°和5°的试验数据与模拟结果进行对比并计算误差，见表1。

表1 试验数据与模拟结果对比

整体误差低于15%，对于多相流计算，受限于计算方法和精度影响，此误差在允许范围内，且试验数据与模拟结果的趋势一致，可以认为数值模型具有较高的可靠性。

3 不同因素下气力提升泵特性分析

3.1 进气角度影响

在浸没比为0.8、气体流量为250 m3/h 的条件下，探索不同进气角度对气力提升泵特性的影响，见图3。由图3（a） 可知，当提升系统稳定时，提升管内液体流量随着进气角度的增加，先增加后减小。角度增加可对通入气体进行加速，产生负压效果，使气体产生旋动效应，扩大流场作用范围，降低水底压持力。由图3（b） 可知，体积分数越接近1 表明液体在该区域占比越大，反之，体积分数越接近0 则表明气体在该区域占比越大。进气角度为0°时，从进气口到提升管中部，气体主要聚集在管壁，随着提升高度的增加，气体逐渐向提升管中心聚集，带动液体上升。

图3 不同进气角度对气力提升泵特性的影响

3.2 浸没比影响

在进气角度为10°、气体流量为250 m3/h 条件下，研究不同浸没比对气力提升泵特性的影响，见图4。由图4（a） 可知，当提升管流体稳定时，液体流量随着浸没比的增大，近似线性增长，整体涨幅约0.0016 m3/s。由图4（b） 可知，在不同浸没比下，流场变化并不明显，流体流型均为搅拌流。

图4 不同浸没比对气力提升泵特性的影响

4 结论

本文针对进气角度、浸没比和气体流量对螺旋气力提升泵特性的影响，开展数值模拟研究，为其在农业排灌中的应用提供理论基础，从而得出以下结论。

1） 进气角度对气力提升泵的液体流量、液体体积分数、径向速度及提升效率均有明显影响，最优进气角度为10°，合理的进气角度会引起气体旋流度增加，提高液体流量。

2） 高浸没比时，气相分布流型为明显搅拌流，优于低浸没比时的环状流。高浸没比时，速度跃迁现象更加显著。