盖瑟泵的性能研究与流场的CFD模拟

　　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。

　　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。

　　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。

　　2盖瑟泵的性能分析

　　2.1 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。