基于計算機仿真的潛油泵葉導(dǎo)輪壓力場優(yōu)化分析

黃新春 李令喜 蔣召平 孫靖云 杜丹陽 李越

摘 要：潛油泵是海洋石油開采的主要設(shè)備，而葉輪和導(dǎo)葉是潛油泵的核心單元。本文主要采用計算機仿真的方法，對潛油泵的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行仿真分析，采用直觀的方法分析壓力場并作出優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明，葉輪和導(dǎo)葉流場中存在湍流動能損失，反映出最初設(shè)計時葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度不吻合，可以作為參數(shù)改進(jìn)依據(jù);二次流場優(yōu)化后，性能參數(shù)提高明顯，效率最高可提高5個百分點，揚程最高可提高4m。二次改進(jìn)如果未達(dá)到要求，可進(jìn)行后續(xù)三次持續(xù)改進(jìn)，直至達(dá)到預(yù)期效果。本文驗證了葉輪導(dǎo)葉的流場優(yōu)化分析的可行性，可為潛油泵性能優(yōu)化改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：葉導(dǎo)輪;壓力場;優(yōu)化

潛油電泵是海洋石油開采的主要主要設(shè)備。葉導(dǎo)輪的設(shè)計又是潛油電泵設(shè)計中最關(guān)鍵的一環(huán)決定了潛油電泵運行穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的葉導(dǎo)輪設(shè)計僅僅是經(jīng)驗的表現(xiàn)和實驗的積累。并不能形象的展現(xiàn)葉導(dǎo)輪流場的狀態(tài)，更不能針對于葉導(dǎo)輪的流場進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計?；谝陨显虮疚牟扇?shù)值仿真的方式，完整的針對于潛油電泵葉導(dǎo)輪流場優(yōu)化分析，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供借鑒意義。

1 模型建立

1.1 軟件建模及網(wǎng)格劃分

本次建模采用CFturbo和UG進(jìn)行輔助建模。計算機建模擺脫“點→線→面→體”建模思路。本文采用是采用的建模思路是“CFturbo建?！鶸G修正”的新型的建模方式。建立包括葉輪、導(dǎo)葉模型。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2 無關(guān)性驗證

本文采用不同的網(wǎng)格輸量計算模型揚程，比較計算結(jié)果，驗證網(wǎng)格無關(guān)性。

隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，揚程、效率變化較小?？紤]到計算機的配置，本文選用第三組方案中的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行后續(xù)的仿真分析工作。

2 仿真優(yōu)化分析

仿真分析運用軟件ANSYS-CFX 14.5，選用模型為k-ε湍流模型，設(shè)置收斂精度為10-4避免采用標(biāo)準(zhǔn)壁面設(shè)置，沒有滑移的邊界條件，采用壓力進(jìn)口方式，初始壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即可。

2.1 初始設(shè)計分析

葉導(dǎo)輪流場優(yōu)化分析，主要分析葉輪和導(dǎo)葉水體部分的流場性質(zhì)變化，突破傳統(tǒng)的分析方法，采用直觀分析到反設(shè)計參數(shù)修改再到直觀分析一個完整的閉環(huán)分析設(shè)計優(yōu)化過程。

設(shè)置初始的葉導(dǎo)輪數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真分析。仿真分析了不同出口流量，針對前文所建立的模型核心部件（葉輪和導(dǎo)葉）在表1的流量工況下（200m3/h、350m3/h）進(jìn)行分析。

由圖可以看出，三種工況下葉輪和導(dǎo)葉流場靜壓力分布比較相似，也驗證了同等模型參數(shù)下，不同同等模擬工況下，模型流場壓力分布變化較小。葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)口處均存在低壓區(qū)，分布于葉片作用面入口處存在數(shù)值變化比較大的壓力梯度。所以，通過流場分析，設(shè)計過程中，流場中盡量減少低壓區(qū)的存在。如果形成較大的低壓區(qū)，這就說明設(shè)計過程中偏離了理想中的設(shè)計工況，從具體參數(shù)的角度來講，葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度不吻合，液流進(jìn)口產(chǎn)生較大的沖擊，產(chǎn)生液流損失產(chǎn)生低壓。由圖可以看出，葉片面存在存在較大的湍動能區(qū)域，從另一個角度說明了液流在流經(jīng)流道過程中，產(chǎn)生回流二次沖擊葉片，從而引起較大的能領(lǐng)損失。所以根據(jù)流場分析根據(jù)實際情況，調(diào)整葉導(dǎo)輪的設(shè)計參數(shù)，調(diào)節(jié)包角直徑等相關(guān)參數(shù)，反設(shè)計重新驗證觀察。

2.2 二次設(shè)計優(yōu)化設(shè)計分析

根據(jù)初始設(shè)計中流場的分析，找到設(shè)計中存在的可能缺陷，調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行二次流場優(yōu)化。具體優(yōu)化參數(shù)見表。

二次優(yōu)化仿真結(jié)果如下：

葉導(dǎo)輪二次流場優(yōu)化后，由圖可以看出流場得到了比較明顯的改善，壓力梯度數(shù)值變化較小，低壓區(qū)分布區(qū)域減小，從具體參數(shù)的角度來講，葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度處于逐漸趨于吻合的趨勢。優(yōu)化后反應(yīng)出液流的二次沖擊也處于減小的趨勢，二次優(yōu)化結(jié)果可以根據(jù)預(yù)期再進(jìn)行三次優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化方法與前文相同。

2.3 二次設(shè)計優(yōu)化性能對比

將兩次仿真結(jié)果參數(shù)進(jìn)行性能分析，導(dǎo)出揚程和效率的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行性能對比分析。

通過圖可以看出，進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)和流場優(yōu)化過后，比較了優(yōu)化前后的揚程和效率具體數(shù)據(jù)，可以看出，優(yōu)化后的效率和揚程得到預(yù)計的改善，優(yōu)化數(shù)值相對明顯，二次優(yōu)化后的效果有所提高。效率最高可以提高5個百分點，揚程最高可以提高4m。當(dāng)然這只是二次改進(jìn)，具體最終的優(yōu)化效果，還要進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化才能實現(xiàn)最終的改進(jìn)結(jié)果。

3 結(jié)論

①通過對葉輪導(dǎo)葉流場的流場分析得出，流場中存在湍流動能損失，反映出最初設(shè)計時葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度不吻合，可以作為參數(shù)改進(jìn)依據(jù);②二次流場優(yōu)化后，性能參數(shù)提提高明顯，效率最高可以提高5個百分點，揚程可以最高可以提高4m。后續(xù)改進(jìn)可以循環(huán)進(jìn)行直至達(dá)到預(yù)期的結(jié)果;③本文主要針對葉輪導(dǎo)葉的流場優(yōu)化進(jìn)行研究分析，驗證了葉輪導(dǎo)葉流場優(yōu)化的可行性。本文建立在數(shù)值仿真基礎(chǔ)之上，可以與具體實驗結(jié)果結(jié)合修正。

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作者簡介：

黃新春（1984- ），男，工程師，碩士，主要人工舉升相關(guān)工作，公司：中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)機械采油分公司。

基金項目：國家科技重大專項項目“渤海油田高效采油工程及配套技術(shù)示范”（2016ZX05058-003-019）資助。