基于Fluent 的螺旋氣力提升泵特性模擬與試驗(yàn)研究*

何麗晏，彭清林，蘇庚華

（廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 肇慶 526040）

1 研究背景

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，有效排灌是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要一環(huán)。排灌水體基本為天然湖泊、河流、水庫(kù)等。相較于傳統(tǒng)機(jī)械排灌泵，氣力提升泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)旋轉(zhuǎn)部件，同時(shí)污染少，符合綠色發(fā)展理念，近年來(lái)在農(nóng)業(yè)排灌領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1-2]。

目前針對(duì)氣力提升泵特性的研究主要分為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。其中，試驗(yàn)研究主要集中于氣力提升泵性能影響因素研究，包括浸沒(méi)比[3]、提升管長(zhǎng)度[4]、液體粘度[5]、氣孔數(shù)量[6]、氣孔分布、流型[7]等。研究發(fā)現(xiàn)，泵的排量和效率是空氣流量、浸沒(méi)比和提升管長(zhǎng)度的函數(shù)。氣力提升泵運(yùn)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(shù)值模擬研究可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行可視化研究，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可論證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)階段，對(duì)于改進(jìn)后的環(huán)形射流泵特性及其在排灌領(lǐng)域應(yīng)用的研究還不夠深入。為此，本文建立了氣力提升泵數(shù)值模型，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性，利用數(shù)值模擬進(jìn)一步研究了進(jìn)氣角度、浸沒(méi)比對(duì)氣力提升泵特性的影響。

2 數(shù)值模擬及驗(yàn)證

2.1 流體運(yùn)動(dòng)方程理論基礎(chǔ)

假設(shè)流場(chǎng)為定常流場(chǎng)，穩(wěn)定后可收斂。湍流狀態(tài)是各向同性且流體不可壓縮。流體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律及動(dòng)量守恒定律。質(zhì)量守恒方程為

動(dòng)量守恒方程為

2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

螺旋氣力提升泵（見(jiàn)圖1） 下泵體一端套接于主泵體內(nèi)，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(duì)螺旋氣力提升泵進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，將提升管豎直插入蓄水池內(nèi)，水和氣分別通過(guò)泵頭及注氣管線進(jìn)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分（見(jiàn)圖2）。

圖1 螺旋氣力提升泵示意圖

圖2 全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 數(shù)值方法及邊界條件

基于壓力求解器的Piso 算法進(jìn)行求解，設(shè)置梯度參數(shù)離散為L(zhǎng)east Squares Cell Based 格式，體積分?jǐn)?shù)、湍流動(dòng)能離散為Quick 格式，氣體入口邊界使用質(zhì)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(yàn)證

將浸沒(méi)比為0.8、螺旋氣力提升泵角度分別為0°和5°的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算誤差，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

整體誤差低于15%，對(duì)于多相流計(jì)算，受限于計(jì)算方法和精度影響，此誤差在允許范圍內(nèi)，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的趨勢(shì)一致，可以認(rèn)為數(shù)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(jìn)氣角度影響

在浸沒(méi)比為0.8、氣體流量為250 m3/h 的條件下，探索不同進(jìn)氣角度對(duì)氣力提升泵特性的影響，見(jiàn)圖3。由圖3（a） 可知，當(dāng)提升系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，提升管內(nèi)液體流量隨著進(jìn)氣角度的增加，先增加后減小。角度增加可對(duì)通入氣體進(jìn)行加速，產(chǎn)生負(fù)壓效果，使氣體產(chǎn)生旋動(dòng)效應(yīng)，擴(kuò)大流場(chǎng)作用范圍，降低水底壓持力。由圖3（b） 可知，體積分?jǐn)?shù)越接近1 表明液體在該區(qū)域占比越大，反之，體積分?jǐn)?shù)越接近0 則表明氣體在該區(qū)域占比越大。進(jìn)氣角度為0°時(shí)，從進(jìn)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(dòng)液體上升。

圖3 不同進(jìn)氣角度對(duì)氣力提升泵特性的影響

3.2 浸沒(méi)比影響

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

圖4 不同浸沒(méi)比對(duì)氣力提升泵特性的影響

4 結(jié)論

本文針對(duì)進(jìn)氣角度、浸沒(méi)比和氣體流量對(duì)螺旋氣力提升泵特性的影響，開(kāi)展數(shù)值模擬研究，為其在農(nóng)業(yè)排灌中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，從而得出以下結(jié)論。

1） 進(jìn)氣角度對(duì)氣力提升泵的液體流量、液體體積分?jǐn)?shù)、徑向速度及提升效率均有明顯影響，最優(yōu)進(jìn)氣角度為10°，合理的進(jìn)氣角度會(huì)引起氣體旋流度增加，提高液體流量。

2） 高浸沒(méi)比時(shí)，氣相分布流型為明顯攪拌流，優(yōu)于低浸沒(méi)比時(shí)的環(huán)狀流。高浸沒(méi)比時(shí)，速度躍遷現(xiàn)象更加顯著。