黏度對混輸泵內(nèi)氣相分布規(guī)律的影響

張 釗，史廣泰，劉宗庫，于昕海

（1.中船重工重慶智能裝備工程設(shè)計有限公司，重慶 401120；2.西華大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，成都 610039）

0 引言

近年來隨著人類對海洋能源的開發(fā)與利用，螺旋軸流式油氣混輸泵（以下簡稱混輸泵）因其能夠高效率地實現(xiàn)油氣兩相的直接輸送而得到了廣泛應(yīng)用，同時其內(nèi)部的氣液兩相流動情況也一直是人們關(guān)注的重點［1-6］。另外混輸泵在實際運行過程中，由于轉(zhuǎn)速較高，泵內(nèi)氣液兩相介質(zhì)溫度變化較大，黏度也隨之發(fā)生改變，所以黏度對于氣液兩相的分布不可忽略。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對黏度與流體流動之間的規(guī)律進行了研究。徐孝軒等［7］將空氣作為氣相，選取4 種不同黏度的液體進行試驗研究，結(jié)果表明氣液兩相流存在5 種流型：氣團流、分層流、分層波浪流、段塞流、波浪流。李文廣等［8-9］利用LDV 和CFD 技術(shù)分別研究了離心泵和其反轉(zhuǎn)做透平時黏度對內(nèi)部流動規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)液體黏度越大，蝸殼內(nèi)部流動越不均勻，同時蝸殼內(nèi)的流動擴散越小。韓思奇等［10-12］利用FLUENT 軟件對不同性質(zhì)的流體在管內(nèi)流動的情況進行模擬，結(jié)果表明流體黏度變化會影響管道內(nèi)邊界層厚度。師晉生［13］對高黏度流體在波紋板通道內(nèi)的流動進行了分析，得到了流函數(shù)、速度及壓力沿軸向變化的解析表達式。Joseph 等［14］研究了變黏度對管道內(nèi)流動和流動穩(wěn)定性的影響。Kannappan 等［15］利用試驗方法并以不同黏度的硅油作為載體流體來分析磁流變行為，發(fā)現(xiàn)隨著介質(zhì)黏度增加，流動特性參數(shù)顯著增加。Ni 等［16］利用試驗方法研究了水的黏度與速度之間的關(guān)系，結(jié)果表明氫鍵隨著速度的變化而變化，并對黏度產(chǎn)生影響。

由上述文獻可知，關(guān)于黏度與流體流動相關(guān)的文獻較少，當然對于其在流體機械內(nèi)部的研究更少。然而黏度變化又是流體機械內(nèi)一個不可忽略的因素，尤其是在氣液兩相介質(zhì)共存的工況。所以開展黏度對氣液兩相分布規(guī)律的影響具有現(xiàn)實的意義并且十分必要。為此本文基于兩相流模型和標準的k-ε湍流模型，利用FLUENT 軟件以3 種不同黏度的液體為液相介質(zhì)對三級軸流螺旋式油氣混輸泵在設(shè)計工況下、入口含氣率30%條件下進行數(shù)值計算，總結(jié)了液相黏度對混輸泵內(nèi)氣相分布規(guī)律的影響，旨在為增強混輸泵輸送效率和水力穩(wěn)定性提供參考。

1 研究對象

本文以三級軸流螺旋式油氣混輸泵為研究 對象，計算域模型如圖1 所示，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 軸流式油氣混輸泵主要性能參數(shù)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

基于歐拉-歐拉方法的雙流體模型，分別以空氣和水為兩相介質(zhì)，進而研究混輸泵內(nèi)部流動規(guī)律。在數(shù)值計算過程中不考慮傳熱性和壓縮性，其連續(xù)方程和動量方程可以表示如下。

連續(xù)方程：

式中 αk——k 相體積分數(shù)，滿足αg+αl=1；

ρk——k 相密度；

ωk——k 相的相對速度；

k ——下標，任意一相，g 為氣相，l 為液相。動量方程：

式中 α ——體積分數(shù)；

p ——壓強；

Mk——k 相所受的相間作用力。

2.2 計算域網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

在三級軸流式混輸泵中，壓縮級是主要的做功部件，同時也是核心部件，所以對其采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并在葉片表面采用O 型網(wǎng)格進行加密，控制葉片表面Y+值。另外對吸入室和壓出室則采用適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了獲取數(shù)值計算中的最佳網(wǎng)格數(shù)，特對計算網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證。純水工況下3 種不同網(wǎng)格數(shù)對應(yīng)的混輸泵水力性能見表2。從表2 可知，混輸泵的揚程和效率隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而增加，但增加程度逐漸減小。綜合考慮了數(shù)值計算精度和服務(wù)器硬件性能，選用第2 組網(wǎng)格。本研究用于數(shù)值計算的吸入室、葉輪、導(dǎo)葉、壓出室的網(wǎng)格數(shù)量分別為85.5 萬，52.8 萬，46.2 萬，69.3 萬。網(wǎng)格總數(shù)為405.8 萬，最終選取的計算網(wǎng)格葉片表面y+值分布在1～80 之間。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2.4 數(shù)值模擬方法與邊界條件設(shè)置

基于兩相流模型和標準的k-ε湍流模型，利用FLUENT 軟件以3 種不同黏度的液體為液相介質(zhì)對三級軸流螺旋式油氣混輸泵在設(shè)計工況下、入口含氣率30%條件下進行數(shù)值計算。計算域采用速度進口，壓力出口邊界條件。壁面采用無滑移邊界條件。另外在計算中，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)解決旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止部件間的耦合問題，從而達到準確模擬兩級動靜干涉流。

3 結(jié)果分析

3.1 黏度對混輸泵內(nèi)不同葉高處氣相體積分布規(guī)律的影響

圖3 示出0.1 倍葉高處的氣相體積分數(shù)分布。由圖3 可知，當介質(zhì)為輕質(zhì)油時動葉輪出口到靜葉輪進口以及靜葉輪內(nèi)的氣相體積分數(shù)較大，當介質(zhì)為中質(zhì)油時靜葉輪內(nèi)的氣相體積分數(shù)較大，但其體積分數(shù)相比輕質(zhì)油時小一些，而當介質(zhì)變?yōu)橹刭|(zhì)油時在葉輪整個流道內(nèi)的氣相體積分布非常均勻?？梢?，隨著黏度的增加混輸泵葉輪內(nèi)的氣相體積分布越均勻。

圖4 示出了0.5 倍葉高處的氣相體積分數(shù) 分布。

圖3 0.1 倍葉高處的氣相體積分數(shù)分布

圖4 0.5 倍葉高處的氣相體積分數(shù)分布

由圖4 可知，在0.5 倍葉高處，當介質(zhì)為輕質(zhì)油時氣相體積分數(shù)較大的區(qū)域主要集中在靜葉輪內(nèi)。當介質(zhì)為中質(zhì)油時靜葉輪內(nèi)的氣相體積分數(shù)較大，但與輕質(zhì)油時相比明顯較小，而當介質(zhì)為重質(zhì)油時在整個葉輪流道內(nèi)氣相體積分布同樣非常均勻。可見，在混輸泵葉輪輪轂和0.5 倍葉高處，黏性越大對泵內(nèi)氣相體積分布的影響越小，反之影響越大。

圖5 示出0.9 倍葉高處的氣相體積分數(shù)分布。由圖5 可知，當介質(zhì)為輕質(zhì)油時氣相體積分數(shù)較大的區(qū)域主要集中在動葉輪進口且靠近吸力面區(qū)域，同時還可以看出，動葉輪出口和靜葉輪出口壓力面附近氣相體積分數(shù)較低；另外當介質(zhì)為中質(zhì)油時氣相體積分數(shù)較大的區(qū)域主要集中在動葉輪進口靠近葉片吸力面附近，但該區(qū)域明顯小于輕質(zhì)油時對應(yīng)的高氣相體積分數(shù)區(qū)域，此外當介質(zhì)為重質(zhì)油時在葉輪整個流道內(nèi)的氣相體積分布也較為均勻，但不如0.1 倍葉高處和0.5 倍葉高處。

圖5 0.9 倍葉高處的氣相體積分數(shù)分布

綜合圖3～5 可知，黏度越小對混輸泵葉輪內(nèi)的氣相體積分布影響越大。因此當混輸泵輸送介質(zhì)為高黏度的氣液兩相介質(zhì)時，泵內(nèi)的氣相體積分布將呈現(xiàn)較好的均勻性。

圖6 示出不同黏度下混輸泵葉輪內(nèi)軸向方向的氣相體積分數(shù)分布。由圖6 可知，隨著黏度的增大混輸泵內(nèi)的氣相體積分數(shù)脈動越小，特別是當介質(zhì)為重質(zhì)油時混輸泵內(nèi)的氣相體積分數(shù)從混輸泵首級葉輪進口到末級葉輪出口基本保持不變，這和上述分析結(jié)果相一致，說明黏度的增加可有效提高混輸泵內(nèi)氣相體積分布的均勻性，從而改善混輸泵的性能。

圖6 不同黏度下混輸泵內(nèi)軸向方向的氣相 體積分數(shù)分布

3.2 黏度對混輸泵首級動葉輪不同葉高處氣相體積分布規(guī)律的影響

圖7示出不同黏度下0.1 倍葉高處葉片壓力面從進口到出口氣相體積分數(shù)的變化規(guī)律。由圖7 可知，葉片壓力面進口處黏度越大其氣相體積分數(shù)反而越小，且在不同黏度下從葉片進口到中部其氣相體積分數(shù)逐漸減小，而從葉片中部到出口黏度對氣相體積分數(shù)基本沒有影響?？梢?，在0.1 倍葉高葉片壓力面黏度主要影響葉片進口段的氣相體積分數(shù)。

圖7 不同黏度下0.1 倍葉高處葉片壓力面氣相體積分布

圖8示出不同黏度下0.1 倍葉高處葉片吸力面進口到出口氣相體積分數(shù)變化規(guī)律。由圖8 可知，在葉片吸力面進口位置黏度越大氣相體積越小，但流體進入葉片吸力面后氣相體積分數(shù)迅速降低，特別是在低黏度下氣相體積分數(shù)下降最快。還可以看出，當流體進入葉片吸力面后，在不同黏度下其氣相體積分數(shù)基本相等，即黏度對0.1 倍葉高處葉片吸力面上的氣相體積分布影響不大。

圖8 不同黏度下0.1 倍葉高處葉片吸力面氣相體積分布

圖9示出不同黏度下0.5 倍葉高處葉片壓力面進口到出口氣相體積分數(shù)變化規(guī)律。由圖9 可知，在0.5 倍葉高處葉片壓力面進口位置黏度越大氣相體積越小，但流體進入葉片壓力面后氣相體積分數(shù)迅速降低，且降低到最小值后黏度越小其最小值越小。另外還可以看出，從流體進入葉片到葉片中部，黏度越小其氣相體積變化越大，而從葉片中部到出口黏度對氣相體積分數(shù)基本沒有影響。

圖9 不同黏度下0.5 倍葉高處葉片壓力面氣相體積分布

圖10示出不同黏度下0.5 倍葉高處葉片吸力面進口到出口氣相體積分數(shù)的變化規(guī)律。由圖10 可知，在不同黏度下從葉片吸力面進口到出口氣相體積分數(shù)逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)，其中在低黏度和中黏度下，在葉片吸力面中部出現(xiàn)了突變，之后又逐漸減小。還可以看出，在葉片0.5 倍葉高處黏度越小氣相體積分數(shù)越大。

圖10 不同黏度下0.5 倍葉高處葉片吸力面氣相 體積分布

圖11示出不同黏度下0.9 倍葉高處葉片壓力面從進口到出口氣相體積分數(shù)的變化規(guī)律。由圖11 可知，在0.9 倍葉高處，黏度對葉片壓力面氣相體積分布影響位置主要集中在葉片進口和中部，而在其他位置基本沒有影響。

圖11 不同黏度下0.9 倍葉高處葉片壓力面氣相 體積分布

圖12示出不同黏度下0.9 倍葉高處葉片吸力面進口到出口氣相體積分數(shù)的變化規(guī)律。

圖12 不同黏度下0.9 倍葉高處葉片吸力面氣相 體積分布

由圖12 可知，在0.9 倍葉高處，當介質(zhì)為低黏度油和中黏度油時，葉片吸力面上的氣相體積分數(shù)從進口到出口先迅速減小，然后逐漸增加到一定值后又開始緩慢減小，在出口處由于動靜干涉的影響出現(xiàn)了突變，但是在低黏度油時的氣相體積分數(shù)的變化與中黏度油時相比較大。還可以看出，當液相介質(zhì)為高黏度油時，葉片上的氣相體積分數(shù)從進口開始緩慢減小，到葉片中部以后基本沒有變化。

綜上可知，黏度越小對混輸泵首級動葉輪葉片上的氣相體積分數(shù)影響越大，且對靠近輪緣處吸力面上的氣相體積分數(shù)影響最大。另外在不同黏度下葉輪葉片進口附近的氣相體積分數(shù)變化 最大。

3.3 黏度對混輸泵首級動葉輪輪轂到輪緣氣相體積分布規(guī)律的影響

圖13 示出不同黏度下首級動葉輪進口截面、中間截面、出口截面輪轂到輪緣的氣相體積分布規(guī)律。由圖13（a）可知，在葉輪進口截面從輪轂到輪緣其氣相體積分數(shù)先增加后減小，之后又開始增加，增加到最大值后又減小，且黏度越小其變化越劇烈。這主要是因為由圖3～5 可知，在首級動葉輪進口截面黏度越小且越接近輪緣位置其氣相體積越大，因此圖13（a）中的0.9 倍葉高附近呈現(xiàn)黏度越小氣相體積分數(shù)越大的現(xiàn)象，分析根本原因主要是因為由于流體從吸入室流出的瞬間還未受到離心力的作用，而黏度越大流速越慢導(dǎo)致氣液混合物的平均流速也相應(yīng)減小，因此氣液兩相受到速度環(huán)量的影響就越小，但在輪緣位置時由于液相對氣相的排擠作用越強，所以氣相呈突然下降的趨勢。另外還可以看出，除了在靠近輪轂處黏度越大氣相體積分數(shù)較大之外，在其他位置均是隨著黏度的增加其氣相體積分數(shù)越小，且越靠近輪緣該現(xiàn)象越明顯。

圖13（b）示出不同黏度下首級動葉輪中間截面輪轂到輪緣的氣相體積分布規(guī)律。由圖14可知，在葉輪中間截面，當介質(zhì)為低黏度油和中黏度油時從輪轂到輪緣其氣相體積分數(shù)先減小后緩慢增加到一定值后又開始減小，且黏度越小減小越快；當介質(zhì)為高黏度油時從輪轂到輪緣其氣相體積分數(shù)逐漸減小且到接近輪緣時減小較快。

圖13（c）示出不同黏度下首級動葉輪出口截面輪轂到輪緣的氣相體積分布規(guī)律。由圖13（c）可知，在葉輪出口截面，在不同黏度下從輪轂到0.9 倍葉高處的氣相體積分數(shù)變化很小，但到輪緣處黏度越小其氣相體積分數(shù)下降越快，且黏度越大其氣相體積分數(shù)也越大。另外還可以看出，從輪轂到0.9 倍葉高處黏度越小其氣相體積分數(shù)越大。

圖13 不同黏度下首級動葉輪進口截面、中間截面、出口截面氣相體積分布

綜合圖13（a）～（c）可知，在不同黏度下混輸泵首級動葉輪各徑向截面越接近輪緣其氣相體積分數(shù)變化越大，且總體看來黏度越小對氣相體積分數(shù)的影響越大，這和上述分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

（1）隨著黏度的增加混輸泵葉輪內(nèi)的氣相體積分布越均勻，而黏度越小對葉輪內(nèi)的氣相體積分布影響越大，且越靠近輪轂黏度對氣相體積分布的影響越小。

（2）隨著黏度的增大混輸泵葉輪內(nèi)的氣相體積分數(shù)脈動越小，特別是當介質(zhì)為重質(zhì)油時混輸泵葉輪內(nèi)的氣相體積分數(shù)從葉輪進口到出口基本保持不變，說明黏度的增加可提高混輸泵葉輪內(nèi)氣相體積分布的均勻性，從而改善混輸泵的 性能。

（3）黏度越小對混輸泵首級動葉輪葉片上的氣相體積分數(shù)影響越大，且對靠近輪緣處吸力面上的氣相體積分數(shù)影響最大，另外黏度對混輸泵首級動葉輪葉片進口附近的氣相體積分數(shù)影響 較大。