盖瑟泵的性能研究与流场的CFD模拟

流与弹状流。在孙宝江、Matuszkiewicz 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
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。
空气泵的 10 倍以上。
2.2 有限元分析
双相流流体模型是 80 年代出现的一种湍流模型,
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
泵与空气泵的气液流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。
2.2.1 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
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根据图 7 得出，在空气泵中，垂直管的下端面的压强 为 891.6 Pa。而盖瑟泵的下端面的压强达到了 6 397 Pa。 因此盖瑟泵要比空气泵的吸力与扬程都要大很多。
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
ε= dz + 4 W + UL2 d （ 1 ） dh ρLDg g dh 1-ε
（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见的两相流流型为气泡
而在盖瑟泵中，Taylor 气泡的原因是空气在储气
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）。 由于盖瑟泵性能上的优势，自 1999 年发明以来，
在陈振瑜等人的文献中，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。
（7）
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 49 202 个，单元数为 178 441 个。计算方法为
PISO 算法，湍流模型为 K-epsilon 模型。
2.2.2 分析结果
图 2 到图 5 为盖瑟泵运行的整个过程的四个时间
的。对于第 q 相，容积比率方程为：
αq +V軑 t
αq=
Sαq ρq
（5）
默认情况下方程（5）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:
n
Σαq=1
q=1
（6）
而 VOF 的动量方程为：
（ρiαiu）i + t
（ρiαiuiu）i
=-αi P+αi ρi g+ [αiu（ie ui+（ u）i T）]+Fi
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过滤与分离 Journal of Filtration & Separation
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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
1.3 s 到 2.2 s 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 s 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
0
0.300 0.600(m)
0.150 0.450
Z XY
图 3 空气进入垂直管内形成气泡
0
0.300 0.600(m)
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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：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
关键词：盖瑟泵；弹状流；Taylor 气泡；有限元
中图分类号：TQ028
文献标识码：A
文章编号：1005-8265（2011）01-0024-04
0 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。
P + ρgh + 1 ρV2 = C 2
（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
其中：ρ1 为储液罐中的流体密度，ρ2 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
型流型为气泡流。在孙宝江等人的文献中，当 V0=
0.15
m/s
时
（表观流速
V0=
Qair A
表示垂直管的空气的
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
100
80
气含率/%
60
40
0
0.300 0.600(m)
0.150 0.450
Z XY
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
20
0
0
1
2
3
时间/s
图 6 垂直管中气含率随时间变化图
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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。
由图 6 可知在 0 s 到 1.3 s 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
鼓风机 空气
图 1 盖瑟泵的结构
收稿日期：2010-12-08 作者简介：阚琛，男，硕士生；通讯联系人：范德顺，E-mail: fandeshun111@
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1.2 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
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。
1 盖瑟泵的结构以及原理介绍
1.1 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。