Pulser pump/zh

脉冲泵是一种结构简单的水力驱动机械装置，也称为气泡泵。这种泵浦的部件已被用于多种用途，包括石油开采或冷却循环。热驱动气泡泵最为常见，但这种利用溪流湍流捕获空气的脉冲泵设计尚未普及。此泵的两大优点是：它没有机械或运动部件，并且不使用任何化学物质，仅依靠溪流中的水。一旦安装在溪流附近，此泵即可仅利用溪流的能量提升水。

我授权本项目可以重复使用和改编我过去制作的所有图片和动画GIF。布莱恩怀特，2010年5月3日

脉冲泵浦结合了鼓风机和气举泵浦的功能。安装在溪流附近，脉冲泵可以将水提升到高于溪流水面的高度。这使得人们可以轻松获得难以到达地区的溪流水源，或将溪流通过管道输送到其他地方，用于灌溉或饮用水供应。

脉冲泵只是简单地利用旋转部件为气举部件提供动力。有关该泵的解释视频，请点击此处观看。

如引言部分所述，此泵的主要优势体现在两个方面。首先，这种脉冲泵的设计不含化学成分，这与工作原理类似的、常用的热驱动气泡泵（见下文“热驱动气泡泵”）不同。这使得该泵浦可用于各种需要输送纯净水的场合，例如灌溉和饮用水输送。此外，无需任何化学药剂，且直接使用河水作为泵送介质，大大降低了泵浦的成本。

其次，脉冲泵没有运动部件。安装后，泵浦利用水流的湍流捕获空气，并借助重力压缩空气（请参阅下文“工作原理”部分），将一部分水泵送到高于水流的高度。它不需要通常成本更高、安装更困难的机械部件。

除了上述益处外，有人声称脉冲泵能够透过提高水中的氧气含量来改善水质。^{[ 1 ]}其基本原理是，透过在进水泵中将空气和水混合，增大了二者之间的接触面积，从而使更多的氧气能够输送到水中，这比溪流中通常的情况要好得多。需要进一步的研究来证实这一观点。

在水力涡轮机出现之前，人们就使用气泵向矿井输送空气，为建造早期阿尔卑斯山隧道的气动机械提供空气，并为19世纪末巴黎富人区的照明马达提供动力。如今，自来水公司仍广泛使用气举泵从深井抽水。气举泵利用压缩机将空气压入井中，空气随后通过另一根更粗的管道喷出，同时将水输送到井中。

脉冲泵（又称气泡泵）利用水的液压头压缩空气，从而排出水，将水“脉冲式”提升到比之前更高的高度。其工作原理与鼓风机和气举泵相同。

基于其他类似试点计划的成功经验^{[ 2 ]} ，我们建构了一个概念验证模型。此处列出的材料用于建立该模型，该模型可用于小规模应用，例如下文“现有泵浦”部分所述的应用，或用于进一步测试。此处所述的塑胶管为柔性塑胶管，便于测试，因为它可以弯曲到合适的高度并重复用于不同的测试；但也可以使用实心PVC管，并且在非测试情况下使用起来更实用。 （请参阅“测试”部分。）

这些材料是此型号脉冲泵浦的固有组成部分。除了用于切割管子的剪刀外，未使用其他工具。

• 
  图1：2根内径3/4吋的透明塑胶管
• 
  图 1a：1 段 3/8 英寸内径透明塑胶管
• 
  图 1b：2 个 3/4 英寸塑胶管接头，一端插入塑胶管内，另一端有螺纹。
• 
  图 1c：一个 3/8 英寸的压缩接头，一端套在管子上，将其压缩固定到位，另一端有螺纹。
• 
  图 1d：1 个 1 1/2 英寸三通连接器，两个摩擦配合开口彼此相对，上方还有一个开口。
• 
  图 1e：2 个 1 1/2 英寸至 3/4 英寸的连接器，一端内有螺纹，另一端采用摩擦配合，用于连接三通连接器和塑胶管连接器。
• 
  图 1f：1 个 1 1/2 英寸至 3/8 英寸的连接器，一端内有螺纹，另一端采用摩擦配合，用于连接三通连接器和塑胶管连接器。

除了上述物品外，建造和测试模型还需要以下材料：

• 
  图 1：1 条软管以可控方式供水
• 
  图 1a：用于支撑管道的支架和连接机构
• 
  图 1b：用于排出多余水的桶子和水槽

虽然这个原型机的成本略高，但与其他大多数抽水方式相比，其成本却非常低。此外，如果将此设计扩大规模，其建造费用很可能会大幅降低。此原型机的成本估算如下：

这个模型的组装过程非常简单，因为它只需要很少的组件。困难在于如何安装管子，才能使它们尽可能保持垂直。

下面这段影片展示了我制作的模型工作时的状态。请注意管子里的气泡，它们清楚地表明进水管处于气泡流状态，而泵送管处于段塞流状态。

下面详细描述了建立此模型的过程。

1

剪断管子

• 首先，必须将管子切割成所需的长度。
• 在这个模型中，入口 3/4” 管被切割成大约 2.1 米长。
• 出口管也被切割成2.1米长，以便进行不同的测试。
• 为了能够在下述试验中改变高度，泵管保持较长。

2

连接分离容器

• 在这个模型中，三通接头用作脉冲泵的分离容器。
• 1 1/2英寸至3/4英寸的连接器紧密地安装在三通连接器的相对两侧。可涂抹环氧树脂以确保密封严实。
• 将 1 1/2" 转 3/8" 的连接器安装到三通连接器孔中，该孔与另外两个孔呈 90 度角。

3

连接管接头

• 首先，将用于 3/8 英寸连接的压缩接头旋入 1 1/2 英寸转 3/8 英寸的连接器上。
• 然后，将用于连接 3/4 英寸接口的塑胶管接头旋入 1 1/2 英寸转 3/4 英寸的连接器上。
• 先将这些部件连接好，再连接软管，这样软管就不会缠绕在一起了。

4

连接管道

• 3/4英寸的管子应该紧密地套在3/4英寸的接头上。也可以用金属夹子将其固定到位。
• 3/8”压缩接头有一个环绕管子外侧的部件，一个小部件安装在管子内部以保持管子张开，然后环绕管子外侧的部件可以拧入已经连接到1 1/2”到3/8”连接器的压缩接头中，从而将管子固定到位。

5

集会

• 现在水泵的所有主要部件都已连接完毕。下一步是安装水泵。
• 首先，确定一种固定管子的方法。为此，可以使用木质背板，并将管子钉在背板上。为了便于调节，本实验中用胶带将管子固定在支撑系统和墙壁上。
• 确保管子垂直，并且管子的高度符合要求。
• 将一根软管连接到进水管的顶部，方法是将直径为 3/4 英寸的管子和软管喷嘴都插入一根直径为 1 英寸的短废管。此软管用于模拟水流。
• 出水管设定为将水排入水槽。

模型建立完成后，进行了一些初步测试，结果显示该泵浦确实能够产生有效功。然而，在脉冲泵设计得到更广泛的认可和应用之前，还需要进行更多更详细的测试。

在这个测试中，改变了两个变数：泵的液压扬程和泵管的高度。

预计随着水头增大，流量也会增加。泵浦的运作验证了这一效应，结果如下所示。

随着泵管高度的增加，脉冲到达管顶所需的能量也随之增加。预计流量会随之下降，如下图所示。

当这两个变数的影响结合起来时，结果会得到一个图表，显示流量如何取决于水头和泵管高度。此图表可用于显示这两个量与流量之间的关系。即使水头很大，如果泵管高度很高，流量可能很小。此外，即使泵管高度很低，较小的水头也会减少泵管的抽水量。如下图所示。

在最佳性能条件下（扬程大、泵管短），此型号泵的流量接近 100 mL/s，即每 10 秒 1 升！尽管在每个参数下进行了多次测试，但这些结果的重复性仍然值得商榷。无论确切的流量是多少，该实验表明脉冲泵具有巨大的应用潜力，可用于广泛输送水。应进行进一步的测试，以更好地评估流量、扬程和泵管高度之间的确切关系。

尽管脉冲泵，或至少是类似设计的脉冲泵，已经存在相当长一段时间了，但目前还没有一个完善的解释或模型来描述它们。类似的问题，例如热驱动气泡泵，通常是封闭系统，不需要出口管道。本节将介绍这种泵工作背后的一些科学原理，并建立两种不同的模型。第一种模型是简单的压力计模型，第二种模型是更复杂的压力模型。

此设计的一个重要概念是两相流，即液体和气体被弯液面隔开的流动状态。两相流至少有七种不同的流动状态^{[ 3 ]} ，脉冲泵浦运转过程中会展现出其中几种。

泵浦沿泵管向上提升的过程主要发生在段塞流状态。在段塞流中，液体和气体分离成不同的层，几乎占据了泵管的整个横截面，如下图所示。

对于段塞流，允许的管径取决于流速和流体黏度。即使做出一些简化假设，泵管内的流速也很难描述。例如，如果泵管不是垂直的，气泡不再对称，导致气泡速度改变。需要引入几个无量纲项，包括弗劳德数、埃特沃斯数和雷诺数，才能完整描述流动。^{[ 4 ]}虽然目前尚未就最合适的模型达成共识，但已经提出了几种模型。^{[ 5 ]}

完整确定段塞流过程中的流体性质并推导出包含该流动状态全部影响的模型超出了本模型的范围。因此，本文考虑一个更为简单的模型，该模型假设管道完全垂直且流动稳定等，具体内容将在下文中进一步讨论。

当多根管子浸入同一种液体中时，每根管子中液体的最大高度由质量守恒定律决定。原理与压力计类似，外部压力、密度和管子的直径决定了液体的高度。这意味着，当所有管子出口处的压力相同时，密度 ρ 乘以管子的横截面积 A 再乘以液体高度 h，对于每根管子来说都是相同的，如图右所示。也就是说，如果一个封闭的容器装满水，顶部放置两根相同的吸管，吸管与空气相通，那么两根吸管中的液体高度相同，也就是说，两根吸管中的液体量相同。

也就是说：

 （ρ一个h）1=（ρ一个h）2

如果所有变数都保持不变，那么这个结论是合理的。但在脉冲泵中，问题就复杂得多。脉冲泵包含一根横截面积相同的进水管和一根高度不同的出水管，此外还有一根横截面积较小、高度较高的泵送管。进水管和出水管几乎完全充满水，因此它们的密度可以近似地视为水的密度。然而，在某一时刻，泵送管的大部分管壁上充满的并非水，而是空气。因此，上述方程式变为：

 ρ西一个ter（一个h）我n我et=ρ西一个ter（一个h）o你t我et+[ρ西一个ter%西一个ter+ρ一个我r%一个我r]（一个h）p你米p

或者，如果进水管和出水管的横截面积相同：

 ρ西一个ter一个（h我n我et−ho你t我et）=[ρ西一个ter%西一个ter+ρ一个我r%一个我r]（一个h）p你米p

在哪里h我n我et−ho你t我et是水头。水能被泵送到的高度可以透过求解以下方程式来确定：hp你米p

hp你米p=ρ西一个ter一个（h我n我et−ho你t我et）[ρ西一个ter%西一个ter+ρ一个我r%一个我r]一个p你米p

此模型的主要问题在于忽略了流体在泵浦内流动时的速度。这是一个不可忽略的量，因为如果流体的运动可以忽略不计，出口管中的空气就会与水分离，泵浦将失去输送水的能力。然而，这个压力计模型确实阐明了泵浦的基本原理，并反驳了脉冲泵最常见的批评，即较小的泵管在物理上不可能将水泵送到高于初始水流高度的位置。上述论点表明，只有在泵管内的流体静止或空气含量可以忽略不计的情况下，上述批评才成立。

为了考虑流速，需要利用能量守恒定律和伯努利方程式对流动进行更详细的评估。此方法模拟了不同点处流动压力的变化。

在位置 4，来自位置 1 的压力由下式给出：

 P4=P1+ρ4克h1−ρ4（v42−v12）2

同样，5/2：

 P5=P2+ρ5克h2−ρ5（v52−v22）2

3投6中：

 P6=P3+ρ6克h3−ρ6（v62−v32）2

为了确定水泵所能达到的最大高度，假设位置 3 的速度为零。这将给出水能达到的高度上限。此外，可以假设位置 1、2 和 3 处的压力约为一个大气压，因为“3”出口通往大气，“1”和“2”仅承受与水流深度相关的极小静水压力。对位于位置 4、5 和 6 之间的底部容器进行控制体积分析，质量守恒定律显示：

 ρ4一个4v4=ρ5一个5v5+ρ6一个6v6

根据实验几何形状，所有管子的横截面积都是已知的。出口管的空气含量极低，因此可以假设其密度与水的密度相同。

基于文献^{[ 6 ]}对封闭系统中热驱动气泡泵的研究，压力从4和5到6的变化可以描述如下：

 P6=P4−ρ6v4（v6−v4）−P5+ρ6v5（v6−v5）

到目前为止，推导过程中的所有假设都针对的是相当一般的情况。模型中的以下假设提供了一个更具体、更简化的模型。第一个假设是，4 和 5 之间的速度近似恒定。由于只有一小部分流体被分流到泵管外，因此假设大部分流体在流经出口管时保持其动量。

其次，假设泵管内段塞流的气体含量为70%，这是段塞流的平均值。此外，假设入口管内的气体处于泡状流状态，其平均气体含量为30%。^{[ 7 ]}这意味着：

 ρ6=0.7ρ一个我r+0.3ρ西一个ter

 ρ4=0.3ρ一个我r+0.7ρ西一个ter

凭借这七个方程式及其相关假设，压力模型仍然存在一个未知数，这意味着必须透过迭代来确定一个合理的压力高度。输入参数是系统的几何参数，输出参数应为压力预计最高点“4”处的压力和速度。如果这些值合理，系统即可运作；否则，需要进行另一次迭代。

首先使用EES软件对该系统进行了建模。定义了上述方程，并设定了一些初始条件。如图所示，除了上述假设外，还需要输入管道的高度和直径以及1号和2号位置的流体速度。程式随后输出整个管道内的速度和压力。为了更好地评估该模型的有效性，可以使用EES程序或类似的程序。

脉冲泵缺乏公信力，因为尚未经过同行评审，尽管目前已开始对其进行深入研究（请参阅下方的外部链接）。然而，目前已制造出几种脉冲泵模型，并且网络上有影片展示了它们的工作原理和运作情况。这种脉冲泵设计并未申请专利，其设计属于公共领域。^{[ 8 ]}

如果下方图片无法加载，您可以点击此处查看一台使用了20年的脉冲泵范例。这台泵由一股小溪驱动，300升水从0.5米高处落下产生动力。该泵浦的数据显示，水流在泵体上的表观速度在每秒0.32米到每秒0.68米之间，足以将气泡带入管道。

气举段的表观空气速度似乎在 0.7 米/秒到 1.5 米/秒之间效果最佳。这是在使用 12 毫米和 19 毫米管道并垂直向上泵送时得出的结论。

在斜坡上充气时，较低的表观空气速度效果最佳。 （表观速度是指假设管道内只有一种流体时，水或空气在管道中的速度。）如果您要自行制作充气装置，这是一个很好的参考指标。 ——布莱恩

据Gaiatechnician称，脉冲泵可以处理比这大得多的流量和扬程。

由于其结构极为简单，它们对水边社区来说具有极大的价值。影片中的小型脉冲泵每天可以向储水容器输送约 5 吨水。^{[ 9 ]}

第二个例子（如图）使用脉冲泵为动物供水。它透过一条 40 毫米的排水管以大约 30 升/分钟的流量供水。它可以将 30 毫升/分钟的水提升到 3 米的高度，或将 1 升/分钟的水提升到 1 米的高度。^{[ 10 ]}

《实用农场创意》杂志的麦克·多内万允许我使用他杂志上刊登的关于这款水泵的图片和文字，作为交换，我需要添加一个连结。 http ://www.farmideas.co.uk/

我认为这些数据对于任何想要大致估算项目所需管道尺寸的人来说都很有价值。

布莱恩怀特

热驱动气泡泵是最常见的脉冲泵类型。它们的工作原理与这种脉冲泵类似，但运行于封闭系统中。通常，沸点低于水的冷媒与工作流体混合。混合物压缩后，受热产生气泡，气泡从工作流体中的冷媒中析出。这些冷媒气泡推动水沿着泵管向上流动，就像脉冲泵一样。混合物随后进入分离室，液体被送至吸收器，冷媒被送至冷凝器。^{[ 11 ]}

这种脉冲泵的设计极为简单，却有可能对水的输送方式产生重大影响。它无需使用化学物质即可抽水，因此回流到溪流中的水不会受到污染。相反，有研究表明，回流到溪流中的水含氧量更高，为水生生物提供了更佳的生存环境。未回流到溪流中的水可用于灌溉土地或作为饮用水源。该泵提升了水位，使水能够输送到比溪流本身更远的地方。

水泵本身仅由极少几种材料制成，包括简单的管道和连接件，经过优化设计后，其制造成本非常低。水泵安装完毕后几乎无需维护，因此除了初始安装和设备成本外，该水泵可以经济便捷地为附近居民供水。

在本分析中，我们建立了实验模型和理论模型。实验模型基于先前的设计，旨在验证概念。该模型清晰地展示了预期趋势，表明在高扬程和短泵管的情况下，流量最高。我们提出了两个理论模型。第一个模型是基于质量守恒原理，类似压力计。此模型可以粗略估计第二根泵管的高度，但由于其假设流速可忽略不计，因此有效性非常有限。不过，该模型确实驳斥了脉冲泵设计在物理上不可行的观点。第二个理论模型同时利用质量守恒和能量守恒来评估泵各层级的流速和压力。此模型需要使用者迭代计算所得数值，以确定特定条件下的合理几何形状。我们使用工程方程式求解器创建了一个模板，使用户能够迭代计算假设值，从而确定最佳几何形状。

实验模型和理论模型都将受益于同侪审查和进一步研究。实验模型应采用更严格的测试方案进行测试，在每个高度和扬程下进行更多测试。其他变量，例如容器尺寸、管道直径和流速，也应进行测试，以确定它们对脉冲泵的影响，并且应使用更广泛的数值范围。本次实验遇到的主要问题是原始容器和软管有泄漏。透过采用上述方法，可以轻松克服这些问题，从而可以投入更多时间进行更详细的测试。

所提出的理论模型可使用上述EES程式等软件进行进一步扩展和测试。此外，还有一些因素未被考虑在内，必须将其纳入模型才能准确预测泵的流量。这些因素包括：

• 泵管内两相段塞流分析
• 确定进出口管道中的空气含量和流动状态
• 摩擦/黏性损失
• 湍流
• 分离容器两侧的压力梯度

• Gaiatechnician在 YouTube 上的讲解影片可以在这里找到。如需更详细的解释，请造访他的网站。
• 这里和这里可以找到更多关于脉冲泵工作原理的影片。
• Bubble Action Pumps Ltd.公司生产类似的产品，它利用太阳能热水器抽水。您可以访问他们的网站以了解更多资讯。
• Altenergymag在此描述脉冲泵
• All About Pumps网站上也有相关描述。
• 有关如何制作脉冲泵的详细说明，请造访Instructables 网站。