基于ANSYS Fluent的射流泵性能數(shù)值模擬

白雅婷 陳 平 馬潤梅 秦思萌

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

射流泵是一種利用高壓流體抽吸低壓流體的流體混合裝置， 由于具有內(nèi)部無運動部件、密封性好及可靠性高等優(yōu)勢，在石油開采領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用［1～3］。 射流泵這種無桿泵開采方式，可有效降低維修成本，但在實際應(yīng)用中射流產(chǎn)生的負(fù)壓較低，不能很好地抽吸流體，因此，泵效低等不足制約著射流泵的應(yīng)用與發(fā)展［4］。

國內(nèi)外一些學(xué)者已對射流泵做了大量研究，結(jié)果表明射流泵的自身結(jié)構(gòu)及其配合、工藝參數(shù)等均會影響射流泵的效率和性能［5］，其中較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)有喉嘴距、面積比等［6，7］。 如Pianthong K等采用CFD方法研究了喉嘴距、 喉管長度及有效面積等因素對泵性能的影響［8］；胡湘韓和闞瑞清采用試驗方法確定射流泵最佳喉嘴距為0～2倍噴嘴直徑［9］；鄭許浩翔研究得出面積比較優(yōu)范圍為5.6～6.1， 并且發(fā)現(xiàn)隨著射流泵面積比的增加，射流泵的效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢［10］。 盡管已有大量的射流泵理論和數(shù)值模擬研究，但從相關(guān)文獻(xiàn)可看出，其中涉及對設(shè)計工況下以效率為判據(jù)的最優(yōu)喉嘴距和面積比的分析文獻(xiàn)較少。

筆者針對國內(nèi)某鉆采單位設(shè)定的應(yīng)用工況進(jìn)行液體射流泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，并基于ANSYS Fluent對內(nèi)部流動和性能進(jìn)行數(shù)值模擬，通過在一定流量比范圍內(nèi)對不同喉嘴距、面積比的深入研究進(jìn)行射流泵效率影響因素的探究，為石油開采領(lǐng)域射流泵的設(shè)計應(yīng)用提供分析參考。

1 分析計算模型

石油鉆井應(yīng)用射流泵設(shè)計工況為：注入口連接可控的25 MPa高壓注水管道，射流泵控制注入壓力為10～12 MPa、流量20～25 m3/d，吸入口連接單井油管道，壓力為-0.1～0.2 MPa，流量20～30 m3/d；出口同樣連接單井油管道，壓力控制在0.9 ～1.5 MPa。

射流泵結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示， 按射流泵理論計算公式可初步確定結(jié)構(gòu)尺寸（圖2）。 高壓流體作為工作流體進(jìn)入噴嘴并以很高的速度進(jìn)入吸入室，從而在噴嘴出口處產(chǎn)生低壓區(qū)，在此區(qū)對引射流體產(chǎn)生抽吸作用，在混合室內(nèi)與周圍的引射流體混合并進(jìn)行能量交換，形成一股壓力居中的混合流體，隨后，混合流體在擴(kuò)散室內(nèi)動能不斷轉(zhuǎn)化為靜壓能和熱能，壓力逐漸升高，速度減慢并逐漸均衡，在提高引射流體的壓力過程中不直接消耗機(jī)械能。

圖2 射流泵結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

主要尺寸參數(shù)如下：

噴嘴入口直徑d020 mm

噴嘴出口直徑d11.5 mm

噴嘴長度Lp55.5 mm

喉嘴距Lc4 mm

吸入管徑dx30 mm

喉管直徑d23.6 mm

喉管長度Lh31 mm

擴(kuò)散角β 4.1°

擴(kuò)散管長度Lk220 mm

上述射流泵結(jié)構(gòu)以螺紋卡套連接為主，各密封部位設(shè)置O形橡膠密封圈。 泵體主要由導(dǎo)入組件、混合室和導(dǎo)出組件組成。 其中導(dǎo)入組件包括入口管、入口卡套和噴嘴，入口管通過入口卡套與混合室連接，入口卡套與混合室之間為螺紋連接；導(dǎo)出組件包括喉管、擴(kuò)散管和出口卡套，出口卡套與混合室之間為螺紋連接，輸入、輸出端部可設(shè)置法蘭等連接結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)入通道的中心線與導(dǎo)出通道的中心線共線， 且兩者的中心線均與吸入口的中心線垂直，整體保證同軸度。 通過這種設(shè)置，從導(dǎo)入組件調(diào)整噴出的動力液速度方向可以不經(jīng)改變就進(jìn)入導(dǎo)出通道中，減少了能量損失。 混合室還設(shè)置有壓力檢測口， 壓力傳感器通過壓力檢測口安裝，可以檢測混合室內(nèi)的液體壓力。

該射流泵的材料選用35CrMo，經(jīng)有限元分析和強度校核，各部件結(jié)構(gòu)均可滿足要求。 圖3為新型射流泵的三維剖面圖。

圖3 新型射流泵的三維剖面圖

射流泵內(nèi)部流體運動屬于有限空間射流流動，流體域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了求得射流泵在設(shè)定工況下準(zhǔn)確合理的流場分布，對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 抽取射流泵流場區(qū)域， 使用Workbench Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 由于內(nèi)部尺寸變化復(fù)雜，因此利用幾何適應(yīng)性好的四面體網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，同時對邊界層和流體速度變化劇烈部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。 調(diào)整模型最大、最小網(wǎng)格尺寸，確保模型收斂網(wǎng)格質(zhì)量的情況下進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，考慮到計算精度和成本，選擇56萬個的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)計算。 射流泵流場和網(wǎng)格劃分圖4所示。

圖4 射流泵流場和網(wǎng)格劃分

將網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，開啟雙精度模式求解，動力液和吸入液介質(zhì)均選用清水，對于射流泵內(nèi)流場模擬，采用對圓柱射流精度更高的Realizable k-ε湍流模型， 近壁面流體流動模擬選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，壓力、速度耦合選用適用于穩(wěn)態(tài)的改進(jìn)SIMPLEC算法［11］，離散方法選用精度更高的二階迎風(fēng)格式。 依據(jù)文中所研究的工況， 確定動力液工作入口為質(zhì)量流量入口，隨流量比的變化，吸入液質(zhì)量流量固定為25 m3/d， 混合液出口邊界條件選用壓力出口，設(shè)置數(shù)值為1.2 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)中的實驗測量值對該文獻(xiàn)中的幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬，驗證模型的正確性。

2 Fluent優(yōu)化求解及分析

2.1 喉嘴距對射流泵效率的影響

噴嘴可以將工作流體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，在整個射流泵中起到了至關(guān)重要的作用。 喉嘴距Lc可表示噴嘴安裝的相對位置， 常以噴嘴出口直徑d的倍數(shù)來表示。 這里噴嘴出口直徑d為固定值，通過改變Lc的值，來分析不同Lc值下的射流泵流場分布。 為盡可能探究喉嘴距與射流泵效率的關(guān)系， 取0.5d、1.0d、2.0d、3.0d喉嘴距下流量比為0.5～1.6的工況進(jìn)行模擬分析。 模擬計算后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，得到流量比一定范圍內(nèi)射流泵的性能曲線（圖5）。 由于當(dāng)喉嘴距為0時，射流泵的性能較差，故不對該情況進(jìn)行討論。

圖5 不同喉嘴距下射流泵性能曲線

汽蝕性能是射流泵的重要研究課題之一，臨界汽蝕流量比qk是衡量該性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，qk可直接判斷汽蝕發(fā)生與否［1］。 汽蝕過程中泵內(nèi)產(chǎn)生很大的沖擊和振動，泵內(nèi)壁受到腐蝕，且壓力過低引起的氣泡移動和凝結(jié)過程消耗流體能量均會導(dǎo)致泵的效率急劇下降［12］。 因此進(jìn)行射流泵分析時其流量比必須小于臨界汽蝕流量比qk， 其計算公式如下：

射流泵的q-h曲線近似為線性函數(shù)［13］，圖5a符合射流泵的基本性能方程，由圖5b可知，隨著流量比的增大，射流泵效率曲線先增大后減小。 喉嘴距為0.5d時，射流泵效率在各流量比下都較高，但由式（1）可知，該結(jié)構(gòu)下容易發(fā)生汽蝕，因此綜合來看喉嘴距為1.0d～2.0d時射流泵性能最佳，且效率最高能達(dá)到27.23%，其中，流量比為0.5～1.3，喉嘴距為1.0d時性能相對較好，當(dāng)流量比更大時，喉嘴距為2.0d時性能較好。

為進(jìn)一步說明射流泵內(nèi)部流場的壓力和速度分布規(guī)律，提取喉嘴距為2.0d時射流泵中心軸線上100個點的靜壓和速度數(shù)據(jù)，整理為曲線并調(diào)整坐標(biāo)軸使之置于圖像正中， 具體如圖6所示。

圖6 固定喉嘴距下射流泵軸線靜壓和速度分布

x=0.0 mm處為射流泵流場工作入口中心，x=155.5 mm處為噴嘴出口中心。 圖6a中曲線到達(dá)最低點時，基本處于噴嘴出口附近，此時工作流體經(jīng)過了噴嘴收縮結(jié)構(gòu)到達(dá)吸入室，射流泵獲得最低壓力。 隨著被吸入流體進(jìn)入吸入室，并與工作流體一同流入喉管時， 射流泵壓力開始升高，后混合流體在擴(kuò)散管中壓力逐漸達(dá)到穩(wěn)定。 雖然各模型的流量比不同，但中心軸線上的壓力變化趨勢相似。 當(dāng)流量比越小時，整個流場內(nèi)壓力變化幅度越大，即壓力比越小，反映到效率上則效率越低；而圖6b中流量比越小，流體速度增幅越大，則阻力損失相對較大。

因此可知， 當(dāng)喉嘴距為1～2倍噴嘴出口直徑時射流泵性能較好，且可根據(jù)圖5b中的效率曲線選擇合理的流量比。

2.2 面積比對射流泵效率的影響

面積比是射流泵中喉管入口截面積與噴嘴出口截面積之比，在研究面積比變化對射流泵性能的影響時，如果同時改變喉管入口直徑和噴嘴出口直徑會導(dǎo)致進(jìn)入射流泵的工作流體的流量發(fā)生變化，所以文中保持噴嘴出口直徑不變只改變喉管入口直徑來研究面積比變化對射流泵性能的影響。

以原尺寸喉嘴距不變， 喉管直徑依次取3.7、3.9、4.2 mm，即對應(yīng)的面積比m分別為6.08、6.76、7.84時，流量比為0.5～2.0的工況進(jìn)行模擬分析，提取各個進(jìn)出口的流量和壓力數(shù)據(jù)，得到射流泵的性能曲線，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同面積比下射流泵性能曲線

由圖7a可知，面積比一定時，流量比與壓力比近似成反比，而隨著面積比的增大，射流泵的特性曲線逐漸變緩；圖7b中當(dāng)射流泵尺寸模型確定時，隨著流量比的增大，效率會有先升高后下降的趨勢，而隨著面積比的增大，整條曲線的極大值點向右推移，即達(dá)到最高效率所需的流量比越大。 綜合汽蝕情況來看，選擇面積比m=6.76的模型進(jìn)行后續(xù)分析，該結(jié)構(gòu)下泵效率最高能達(dá)到25.44%。

為進(jìn)一步說明射流泵內(nèi)部流場的壓力和速度分布規(guī)律，提取面積比為6.76時射流泵中心軸線上的靜壓和速度數(shù)據(jù)， 整理為曲線并調(diào)整坐標(biāo)軸使之位于圖像正中，具體如圖8所示。

圖8 固定面積比下射流泵軸線靜壓、速度分布

同樣地， 圖8中x=0.0 mm處為射流泵流場高壓入口中心，x=155.5 mm處為噴嘴出口中心。 雖然各模型的流量比不同，但中心軸線上的壓力變化趨勢相似。 流量比越小，整個流場內(nèi)壓力變化幅度越大，即壓力比越小，反映到效率上就是效率越低；而圖8b中流量比越小，流體速度增幅越大，則阻力損失相對較大。

因此， 在分析面積比參數(shù)時，m=6.76時射流泵性能較好，且可根據(jù)圖7b中的效率曲線選擇合理的流量比。

3 基于VB.NET的射流泵設(shè)計軟件

筆者集成射流泵理論計算方法和國內(nèi)外專家總結(jié)出的經(jīng)驗公式，開發(fā)出集性能校核、結(jié)構(gòu)尺寸輸出的射流泵設(shè)計軟件，大幅縮短了設(shè)計周期，保證射流泵有較高的效率。 軟件部分界面如圖9所示。

圖9 軟件部分界面

軟件開發(fā)流程如圖10所示。用戶在VB.NET界面上輸入初始工況參數(shù)，根據(jù)射流泵計算理論得到主要性能參數(shù)，后臺進(jìn)行汽蝕性能校核，校核是否滿足q≤qk－0.1（本設(shè)計采用0.1為安全余量）。如果滿足則進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計算， 否則返回前步，并增大面積比，直到不會發(fā)生汽蝕為止。

圖10 軟件開發(fā)流程

4 結(jié)論

4.1 以射流泵效率為判據(jù)，喉嘴距為1.0d～2.0d的射流泵在一定流量比范圍內(nèi)效率較高，且射流泵不會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，性能更優(yōu)。

4.2 射流泵的效率與面積比有很大關(guān)系。在噴嘴出口直徑不變的情況下， 改變喉管入口直徑，當(dāng)面積比m=6.76時射流泵性能最佳。

4.3 基于VB.NET開發(fā)的射流泵設(shè)計軟件， 輸入工況參數(shù)即可校核性能、 輸出關(guān)鍵尺寸參數(shù)，可縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。