多相混輸泵動葉輪流道內氣相分布規(guī)律研究

史廣泰，葉勛云，劉宗庫

（1.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039；2.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039）

在實際油氣輸送過程中，由于普通泵和壓縮機的工作范圍已不能滿足高油氣比的工況，因此多相混輸泵應運而生。該泵能夠從油井中直接采出含有油、氣、水及各種雜質的多相混合物并完成集輸，大大降低了基建成本，目前已成為各國關注的焦點[1?2]。目前，在工業(yè)應用中比較成功的混輸泵類型主要有雙螺桿式和螺旋軸流式兩種，其中螺旋軸流式混輸泵因其結構緊湊、排量大、對流體中固體顆粒不敏感等優(yōu)點，被認為是深海油氣混輸設備的理想選擇，同時也是近幾年研究的熱點[3?4]。而關于泵內兩相流動又是關系到氣液輸送的核心問題，因此大量學者針對其進行了相關研究。

馬希金等[5]在不同含氣率下對油氣混輸泵內部流動進行數值模擬，研究表明在純水工況下，葉片傾斜對揚程的影響較大且軸流式油氣混輸泵的最佳葉片傾斜角范圍為?4°～0°。史廣泰等[6]對葉輪葉片壓力載荷隨含氣率以及流量變化的規(guī)律進行了探討，發(fā)現當流量一定時，隨著含氣率的升高，混輸泵葉輪葉片工作面和吸力面壓力載荷逐漸升高，且小流量工況葉片壓力載荷受含氣率變化的影響程度要大于大流量工況。劉清[7]在設計流量下對三級油氣混輸泵內的全流場瞬態(tài)流動特性進行了研究,并分析了壓力脈動時域和頻域。馬希金等[8]以自主研制的YQH-100 油氣混輸泵為研究對象,對油氣混輸泵不同導葉葉片數及不同含氣率時的內部非定常流場進行了數值計算，發(fā)現隨著導葉葉片數的增加,油氣混輸泵的揚程下降趨勢逐漸變緩。史廣泰等[9]研究發(fā)現氣體越集中的位置也是介質流動越不均勻的位置，另外級間動靜干涉作用、流動的不均勻性以及較大旋渦的出現均會導致湍流強度和湍流耗散程度的增加。張金亞等[10]對3 種改進葉輪在入口含氣率分別為60%與80%下的流場進行了數值模擬，發(fā)現3 種措施均能改善液相流體在葉輪內的流線分布，增強氣液混合程度，同時改進葉輪內最高含氣率均低于原型葉輪。張文武等[11]研究發(fā)現不同進口含氣率下葉輪流道內的氣體主要聚集在葉輪出口輪轂處的吸力面附近且隨著進口含氣率的增加，氣體在該處的聚集程度增強。余志毅等[12]基于細泡狀流動假設，通過分析流域的含氣率及兩相速度矢量分布，探討了混輸泵內氣液兩相非定常流動特性。黃思等[13]采用雙流體湍流模型計算螺旋軸流式葉片泵內高含氣狀態(tài)下的三維氣液兩相流場，研究發(fā)現離心力的作用使葉輪內液相主要在輪緣附近流動，而氣相則聚集在輪轂附近。馬希金等[14]對軸流式油氣混輸泵半螺旋形吸入室在不同含氣率時的流場進行了模擬，分析了氣體積聚和旋渦形成的原因。余志毅等[15]假定混輸泵葉輪內為泡狀流動，分析水氣混合工況下的流場分布特點，研究表明混輸泵葉輪流道采用較小的徑向尺寸差能較好地避免離心力所引起的氣液分離，防止氣堵現象的發(fā)生。馬希金等[16]對油氣混輸泵半螺旋形吸入室在不同含氣率下的流場進行了三維模擬分析，模擬結果顯示流場速度變化較為均勻，表明這種半螺旋形吸入室作為混輸泵的吸入室是合適的，只是在隔舌處會發(fā)生漩渦，出現氣體滯留現象。

通過以上文獻分析可知，對多相混輸泵內兩相流動已有學者做了大量的研究工作，但是對于多相混輸泵壓縮級內氣相體積分數的定量分析卻很少涉及，同時由于對混輸泵內氣液兩相流動機理的研究還并不成熟，因此對于混輸泵內氣液兩相分布規(guī)律還有待進一步探究。鑒于此，本文基于標準k-ε湍流模型，采用Fluent 軟件在進口含氣率為30%的工況下對混輸泵內兩相流態(tài)進行研究，得到了不同壓縮級動葉輪進口到出口的氣相分布曲線，并分析了不同葉高下的相態(tài)分布規(guī)律，旨在為提高多相混輸泵輸送效率及運行穩(wěn)定性提供參考。

1 研究對象

本次模擬選用三級軸流螺旋式油氣混輸泵作為研究對象，其主要過流部件包括螺旋型吸入室、動葉輪、靜葉輪以及壓出室，主要參數為：設計流量Q=100 m3/h，揚程H=85 m，設計轉速n=3000 r/min，電機功率P=55 kW，具體的計算域模型如圖1所示。

圖1 三級軸流式油氣混輸泵全流道模型

2 研究方法

2.1 網格劃分

采用數值方法對泵內流態(tài)進行模擬，首先需要將控制方程在計算域上進行離散，而離散就需要使用網格。本次模擬采用通用的前處理軟件ICEM對計算域進行網格劃分，考慮到動葉輪和靜葉輪為泵的核心部件，為了精準捕捉內部流態(tài)，對其進行結構網格劃分，同時對壓縮級上下游部件，即吸入室和壓出室進行非結構化網格劃分。為了保證模擬精度，均對其關鍵部位進行加密處理。考慮到服務器的性能和計算成本，進行網格無關性驗證，最終在計算中使用的總網格數為400 萬左右，動葉輪和靜葉輪網格如圖2 所示。

圖2 動葉輪和靜葉輪網格

2.2 湍流模型

本次數值模擬采用標準的k-ε模型，其由湍動能k和湍動耗散率ε兩個方程模型組成。

k方程：

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；c1ε、c2ε、Cμ均為經驗常數；μt為湍動黏度；ui為時均速度；ρ為流體密度；σε、σk分別為湍動能k和湍動耗散率ε對應的普朗特數，且對于經驗常數σε、σk、Cμ均采用單相流中的取值，即σε=1.314，σk=1.0，Cμ=0.09。

2.3 邊界條件設置

多相混輸泵內部流動為復雜的三維湍流狀態(tài)，數值求解時選用標準的k-ε湍流模型，工作介質選用空氣和水，并在吸入室入口采用速度進口邊界條件并設置氣體體積分數，而在壓出室出口設置壓力出口邊界條件。壁面設置為光滑無滑移壁面，參考壓力為101325 Pa，計算收斂精度設為10?5。

3 結果分析

3.1 不同壓縮級動葉輪0.1 倍葉高處進口到出口氣相體積分布規(guī)律

圖3 為不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.1 倍葉高處進口到出口的含氣率分布。由圖3 可知，在首級動葉輪葉片壓力面0.1 倍葉高(輪轂)的氣相體積分數最大，特別是在進口段的氣相體積與次級和末級的氣相體積相差較大，同時發(fā)現在首級、次級和末級葉輪壓力面中間附近位置氣相體積分數均出現了極值。這是由于該位置壓力分布出現了局部的低壓區(qū)，進而導致氣相在此位置出現了小范圍的聚集現象。此外，還可以看出在次級和末級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數基本相同。

圖3 不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.1 倍葉高處進口到出口的含氣率分布

圖4 為不同壓縮級動葉輪葉片吸力面0.1 倍葉高處進口到出口的含氣率分布。由圖4 可知，在不同壓縮級動葉輪0.1 倍葉高葉片吸力面從進口到出口的氣相體積分數基本相等。結合圖3 和圖4可知，在葉片0.1 倍葉高處只有首級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數最大。

圖4 不同壓縮級動葉輪葉片吸力面0.1 倍葉高處進口到出口的含氣率分布

3.2 不同壓縮級動葉輪0.5 倍葉高處進口到出口氣相體積分布規(guī)律

圖5 為不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.5 倍葉高處進口到出口的含氣率分布。由圖5 可知，在不同壓縮級動葉輪0.5 倍葉高葉片壓力面從進口到出口的氣相變化過程中，首級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數最大，但與0.1 倍葉高處壓力面不同的是：在0.1 倍葉高處壓力面的中間位置有突變，而在0.5 倍葉高處壓力面上氣相體積的變化相對較為平緩，且在0.1 倍葉高處壓力面進口段的氣相體積分數與次級和末級的氣相體積分數相差較大，而在0.5 倍葉高處壓力面進口段的氣相體積分數與次級和末級的氣相體積分數相差相對較小。

圖5 不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.5 倍葉高處進口到出口的含氣率分布

圖6 為不同壓縮級動葉輪葉片吸力面0.5 倍葉高處進口到出口的含氣率分布。由圖6 可知，在不同壓縮級動葉輪0.5 倍葉高葉片吸力面從進口到出口氣相變化過程中，首級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數比次級和末級大，這與圖4 的分布規(guī)律相差較大?？梢娫?.5 倍葉高處葉片吸力面上的氣相體積分數在不同動葉輪上的分布情況將發(fā)生變化。

圖6 不同壓縮級動葉輪葉片吸力面0.5 倍葉高處進口到出口的含氣率分布

3.3 不同壓縮級動葉輪0.9 倍葉高處進口到出口氣相體積分布規(guī)律

圖7 為不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.9 倍葉高處進口到出口的含氣率分布。由圖7 可知，在不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.9 倍葉高(輪緣)處，各動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數基本相等。對比圖3、圖5 和圖7 可以發(fā)現從輪轂到輪緣首級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數與次級和末級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數的差值逐漸減小。

圖7 不同壓縮級動葉輪葉片壓力面0.9 倍葉高處進口到出口的含氣率分布

圖8 為不同壓縮級動葉輪葉片吸力面0.9 倍葉高處進口到出口的含氣率分布。由圖8 可知，首級動葉輪葉片吸力面0.9 倍葉高處的氣相體積分數小于次級和末級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數，而從中間位置開始，首級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數大于次級和末級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數，且從進口到出口次級動葉輪上的氣相體積分數基本等于末級動葉輪上的氣相體積分數。結合圖4、圖6 和圖8 可以發(fā)現從輪轂到輪緣首級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數與次級和末級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數的差值逐漸增加。

圖8 不同壓縮級動葉輪葉片吸力面0.9 倍葉高處進口到出口的含氣率分布

4 結論

1）在首級動葉輪葉片壓力面輪轂附近的氣相體積分數最大，而在次級和末級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數基本相同，且在葉片輪轂附近壓力面進口段的氣相體積分數與次級和末級的氣相體積分數相差較大，而在0.5 倍葉高處壓力面進口段的氣相體積分數與次級和末級的氣相體積分數相差相對較小。

2）在不同壓縮級動葉輪0.5 倍葉高處，從動葉輪進口到出口，首級動葉輪葉片吸力面上的氣相體積分數比次級和末級大，即在0.5 倍葉高處葉片吸力面上的氣相體積分數在不同動葉輪上的分布情況將發(fā)生變化。

3）從輪轂到輪緣首級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數與次級和末級動葉輪葉片壓力面上的氣相體積分數的差值逐漸減小，而在吸力面卻逐漸增加。