随着我国油气开采、跨区域调水、化工循环供水以及农业灌溉技术的快速发展。长距离高效率的输送技术凸显出广阔市场应用前景。气力提升泵结构简单、成本低廉、不易堵塞、可靠性好,克服了传统机械泵对耐磨、密封、冷却与润滑的苛刻要求,具有极强的核心竞争力。然而,提升管道内气液流动机理极为复杂,相界面实时更新,界面形态动态变化,气液力学作用机理与能量交换机制尚不明确。多年来,气液两相流的复杂性给提升泵的设计与高效工作带来了极大的挑战。本文以获取管道内部气液流动机理、深入挖掘气力提升泵工作潜能为目的,通过理论与实验研究揭示气力提升泵的工作特性。主要研究工作与研究成果如下:(1)考虑到气力提升泵流动结构变化特征,建立了不同流型的压差模型、相含率模型以及气液速度经验公式,基于动量方程和连续性方程,形成了气力提升泵的完整理论模型。计算结果表明:新建模型与实验数据吻合精度较高,能较好预测提升泵的工作特性;与较传统的模型相比,新建理论模型更为精细地考虑到气力提升泵内部流动结构,具有更宽的适应范围和更高的预测精度。(2)实验研究了气力提升泵的工作特性,结合提升段和浸入段的流动特征,提出了提升泵的流型结构图,剖析了气液曳力、压降特性、相含率以及工作效率变化特征。结果表明:气力提升泵入口液流湍动强度大,气液流动结构极为复杂,很难完全适应经典垂直管道气液流型图;与经典垂直管道流型图相比,泡状流提升力不足,未出现在提升泵中;受强湍动液流影响,泰勒气泡易破碎,弹状流进气范围较窄,提升泵最大排液量往往出现在搅拌流工况;在高进气量下,管道内部流型并未以经典的环状流出现,而是更为复杂的雾环状流结构出现,与环状流相比,这种雾环状流液膜更厚,夹带液滴极密,在高进气量下仍能维持较大的液流表观速度。(3)采用高速摄像仪获取了气液流动图像,研究了气液图像的分形特征,探究了液膜与气泡群交替性流动规律,分析了气泡群占比规律。研究结果表明:气力提升泵中液膜和气泡群交替流动的频率范围为1.6Hz-3.6Hz;随着进气量的增加,液膜与气泡群交替流动频率出先降低后增加;在气液周期性流动过程中,气泡群流动速度快,方向一致,携液效果好,增大浸入率能增加气泡群的占比,有效提升泵性能。(4)提取了气力提升泵液膜波动界面,重构了气液界面时空演变图像,分析了气力提升泵液膜厚度变化规律,阐述了气液界面波传递特征。研究结果表明:气力提升泵液膜厚度范围为0.16-0.25倍管道直径;随着进气量增加,液膜厚度逐渐衰减;液膜边界存在大量大波结构,该大波结构呈高斯函数形状,其波动幅度随液体速度增大而增大,随气体速度增大而减小。(5)通过实验方法采集到了气力提升泵的压力时域信号,采用时频谱分析方法分析了不同流型的压力信号频率变化特征,结合多重分形原理,从盒子数尺度刻画了时域压力的脉动剧烈程度。考虑到气泡脉动能量小频率高的特点,利用小波包对时域信号在各频段进行了分解,采用递归演变原理分析了各频段信号的脉动特征。结果表明:随进气量增加,压力脉动的高能频带逐渐缩短,弹状流主频带为0-40Hz。搅拌流主频带范围为0-16Hz。雾环状流主频带范围为0-12Hz;混合流体在不同频段表现出不同的脉动特征,在低频段(0-31.25Hz),压力表现出混沌脉动特征。在高频段(31.25-62.5Hz),密集小气泡群的间歇性运动形成的微射流作用,能产生周期性脉动压力;根据各流型的压力脉动能量与频段的差异性,采用神经网络辨识技术能有效识别提升管道流型结构。