堆肥茶在现代农业中被用作生物有机肥料和生物农药,它是通过发酵装置发酵多种回收农业废料而产生的。在过去十年间,研究者一直专注于堆肥茶在农业生产中的效益,这有助于堆肥茶的普及应用。随之也产生了各式各样用于生产堆肥茶的发酵设备,然而,几乎没有堆肥茶制作装置或设备的相关研究文献;这些堆肥茶制作设备的信息大部分出自商业出版物,如商品目录、宣传册、产品传单和设备生产商所发布的实况报道。气举泵常在堆肥茶制作设备中用于堆肥液的循环、搅拌、曝气和提取,也就是说气举泵促使堆肥液在发酵罐内循环流动。一个堆肥茶制作设备可能包含一个或多个气举泵,与其他用于堆肥茶生产的机械搅拌技术相比,采用气举泵搅拌混合堆肥液可以产生较多的有益微生物。据我所知,这是第一次对这类农业机械进行实验研究。从工程学的角度来看,目的是开发并设计一种适用于不同液位发酵罐工作的泵。通过确保循环、混合、通风的连续性,使得这种泵的机器效率达到最优且堆肥茶的质量达到最好。通过研究发酵罐中泵的气压、淹没比、注气系统、立管长度、堆肥液面等参数使得在堆肥溶液的循环和泵送方面,泵送效果、混合效率、茶叶的微生物特性、总通风时间和能耗的基本性能达到最高且使用更为灵活。除数值模拟外,本文还包括四项实验研究。首先,针对六种不同的气举泵气腔结构,在六种不同的空气喷射压力（8、9、10、12、14和16k Pa）下运行,从搅拌效率、循环、曝气、泵送效率、功效和能耗六个方面研究了对泵性能的影响。通过堆肥液循环、电导率、体积传质系数的对比试验以及数据分析,由于0.09cm~2总孔面积的设计产生了最为理想的气体质量流率,从而实现了最高的堆肥液质量流率、泵的效率、体积传质系数以及良好的搅拌效率。此外,与2mm喷孔直径的设计相比,1.2mm喷孔直径的设计实现了更高的体积传质系数,而且达到堆肥茶中溶解氧饱和度所需的时间更短;这是由于喷孔直径为1.2mm时气泡尺寸小,堆肥茶质量流率大。综上所述,实验数据表明,最佳的气腔设计为A2,其中包含8个直径为1.2mm的孔;由于良好的布孔方式和较小喷孔孔直径获得了最为理想的气体质量流率,本设计在泵的效率、堆肥茶质量流量、搅拌效率、体积传质系数、泵的效率能等方面均达到了最佳效果。其次,研究了气举泵的沉没比对堆肥茶制作设备性能的影响。针对不同沉没比（80%、90%、100%、110%、120%）和不同空气喷射压力（9、10、12、14、和16k Pa）,对堆肥茶制作设备进行了对比试验,并在堆肥液循环、泵的效率、搅拌效率、总曝气时间、能耗和堆肥茶微生物特性等方面对该系统进行了评估。当沉没比从80%增加到120%时,随着空气压力的不断增加,空气流速下降,堆肥液流量相应增加,导致发酵槽中堆肥茶液溶解氧饱和速度加快。这种泵送改进有助于搅拌效率和效能的提高,并有助于减少总曝气时间和能源消耗。这样就导致了菌群密度的增加,从而提高了堆肥茶制作设备的效率,提高了堆肥茶的质量。将气举泵的上升管出口浸没至100%以上时,显著提高了堆肥机的性能,这是由于气泡分布的增加和堆肥液在罐内的物理搅动而导致的。这些复合作用导致了细菌种群密度显著增加,总曝气时间显著减少,而对堆肥液流量增加的作用较小。对于任一沉没比,空气压力从9k Pa增加到16k Pa时,均导致空气流速增加,堆肥液流量相应增加,这有助于提高搅拌效率,减少总曝气时间,增加细菌种群密度;然而,压力的增加导致了液压能耗的增加。第三,研究了气升泵的提升管长度和空气压力对堆肥茶机性能的影响。在五种不同的空气注入压力（9、10、12、14,和16k Pa）下进行三种不同设计的气升泵的对比实验,其中提升管（50,45,40cm）的长度不同。所有设计的固定浸没率均为100%。根据液体循环,泵送效率,混合效率和能量消耗来评估堆肥茶机的性能。实验的主要结果表明,随着冒口管长度从50厘米减少到40厘米,能量消耗增加,同时堆肥溶液质量流量,泵送效率和混合效率降低。此外,本研究比较了浸水比和提升管长度对气升泵性能的影响,以及改变发酵罐中的液位。结果表明,与使用固定长度的提升管相比,具有改变的提升管长度的堆肥茶机的性能显着改善。其中,改善了堆肥茶机中的液体循环,泵送效率,混合效率以及空气举泵能耗效率的增加。第四,本研究基于RANS湍流模型开发出多相流模型,以预测堆肥茶叶机中气升泵的性能。对发酵罐采用ANSYS Fluent中的多相流VOF模型和SIMPLE算法进行内部流场仿真分析。此外,两个软件程序用C++语言编写,用于解决Reinemann模型和Stenning和Martin模型的方程组,以预测堆肥茶机中气升泵的性能。将两种分析模型的结果与现有的数值模拟结果和第三章和第四章的气升泵的实验数据进行了比较。除了讨论罐内发生的混合机理外,还对堆肥茶叶罐中液位对气升泵性能的影响进行了分析。在第一种情况下讨论使用相同的气升式泵设计,改变发酵罐中的液位,以预测空气举泵的性能,淹没率从100%变化到80%。在第二种情况下讨论了两种设计的气升泵,它们的立管长度从50到40厘米不等,固定浸没率为100%。现有的RANS模型可以很好地预测空气举泵的性能。在提升管长度为50cm时,RANS计算运行范围内气举泵的液体质量流量的最大相对误差分别为4%和3%,分别对应于100%和80%的浸没率。而在提升管长度为40cm时,通过气升空气举泵操作范围的茶质量流量的RANS计算中的最大相对误差为3%。气液两相流已经在茶机的立管中以螺旋形运动提升,并且从侧壁移动到另一侧壁,并且在移动到壁的侧面的过程中增加。随着浸没率的增加,提升管中气液的螺旋运动和壁侧的移动增加。这些淹水率为100%的移动比80%的淹没率更明显。这种螺旋运动加剧混合程度。因此,在浸没率为100%的情况下,底部流体连续循环并与顶部流体混合,而对于浸没率为80%,茶机的内部流体间歇地混合,即底部流体和顶部流体没有连续混合,这是由于在较低的淹没率下液体质量流速降低。农业过程和可变实践促使需要来自堆肥茶的可变量。因此,需要开发一种能够生产这些量的堆肥茶机的新设计。第五项实验研究涉及开发一种新的气升式泵设计,该设计能够使堆肥茶叶罐在不同液位高度下,不仅能不改变浸没比,还能够保持连续曝气,良好的循环和混合程度,使发酵罐处于最高效率。本研究中的一种新设计的气动泵（智能泵）可以通过自动调节立管的长度以保持恒定的浸没率。实验研究结果表明,发酵罐水位低导致传统设计中水流量,泵送效率和体积传质系数显着下降（在最低水位变为零）同时增加功耗,因为液位低导致提升管的浸没比率降低,从而减少了液体泵送（或完全停止）。新设计的气升泵在液位低时性能明显改善,增加了水流量,泵送效率和体积传质系数,并降低了功耗。此外,它没有在最低水位停止工作。这项工作解决了在堆肥茶机械工程研究中的一个难题,能为堆肥茶机械未来的研究提供见解。我希望这项工作将成为未来更多研究的基础,并作为该领域学术和工业研究的参考。