多相增壓泵氣液兩相流計(jì)算分析及試驗(yàn)研究

尚 勇，曾永忠

(1. 四川省自貢工業(yè)泵有限責(zé)任公司,四川 自貢 643031;2. 西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039)

多相混輸技術(shù)作為陸地及深海油氣開(kāi)采工程項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)，其關(guān)鍵設(shè)備是多相增壓泵。目前，國(guó)內(nèi)、外應(yīng)用較多的多相增壓泵主要有螺旋軸流式及雙螺桿式2種結(jié)構(gòu)形式。

目前，以雙螺桿多相泵為代表的德國(guó)Bornemann公司，以螺旋軸流多相泵為代表的挪威Framo公司、法國(guó)Sulzer公司及Leistritz等公司幾乎壟斷國(guó)內(nèi)水下多相增壓泵市場(chǎng)[1]。

中國(guó)石油大學(xué)等科研院校對(duì)增壓泵的單元設(shè)備開(kāi)發(fā)進(jìn)行了系列前期調(diào)研。中國(guó)石油大學(xué)(北京)通過(guò)河南石油機(jī)械廠開(kāi)展校企合作、協(xié)同研發(fā)，建立了螺旋軸流式多相泵試驗(yàn)臺(tái)架[2]。

國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售及售后于一體的水下多相增壓泵研發(fā)機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)企業(yè)更多的是對(duì)多相增壓泵的選型、結(jié)構(gòu)探討、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述[3-5]。

多相增壓泵內(nèi)部流動(dòng)極為復(fù)雜，很難對(duì)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行觀察及研究。目前常用試驗(yàn)方法對(duì)增旋機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行研究，但試驗(yàn)所需設(shè)備種類(lèi)多、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、精度高、成本耗費(fèi)高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、不確定因素多。伴隨大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)、內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)及科研院所廣泛應(yīng)用CFD計(jì)算方法研究輸送流體的旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)及性能分析，對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行模擬及分析的方法日益普及[6-7]。

本文針對(duì)自主設(shè)計(jì)的增壓泵過(guò)流轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)單元，借助CFD軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與N-S方程對(duì)增壓泵三維內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，對(duì)增壓泵的水力性能進(jìn)行模擬計(jì)算及測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證；探尋增壓泵流道、過(guò)流部件的速度、壓力、氣體體積分?jǐn)?shù)及密度等分布規(guī)律。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型及流道網(wǎng)格劃分

構(gòu)建3D模型，并將計(jì)算域模型導(dǎo)入G-TURBO軟件，并生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖1～2所示。

圖1 增壓泵均化器、葉輪、導(dǎo)葉三維模型及結(jié)構(gòu)

圖2 增壓泵均化器、葉輪、導(dǎo)葉及流體域剖面網(wǎng)格

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能k方程及湍動(dòng)能耗散ε方程構(gòu)成，可用通用形式表示該方程組[8]：

(1)

式中：Sφ為源項(xiàng)；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；φ為通用變量。φ、Γφ、Sφ表達(dá)形式如表1所示。

表1 通用控制方程內(nèi)各符號(hào)形式構(gòu)成

1.3 增壓泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)及邊界條件設(shè)置

增壓泵輸送清水性能參數(shù)如表2所示。

表2 增壓泵清水性能參數(shù)

進(jìn)、出水邊界條件：

1) 進(jìn)水。假設(shè)葉輪進(jìn)水無(wú)旋流動(dòng)、壓力均勻分布，由質(zhì)量守恒定律計(jì)算得到進(jìn)水軸向速度。

2) 出水。出水口界條件設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

多相流模型及數(shù)值計(jì)算參數(shù)：

1) 多相流模型。采用Eulerian模型計(jì)算求解。

2) 氣體密度。ρ=1.209 kg/m3。

3) 氣體體積分?jǐn)?shù)。V=30%。

4) 氣體直徑。D=1.00 mm。

2 結(jié)果及分析

2.1 增壓泵輸送清水工況水力計(jì)算及測(cè)試結(jié)果

2.1.1 清水工況數(shù)值計(jì)算

借助FLUENT軟件，分析增壓泵的進(jìn)口流量分別為0.7Qopt、0.8Qopt、0.9Qopt、1.0Qopt、1.1Qopt、1.2Qopt、1.3Qopt時(shí)的水力性能。

計(jì)算收斂準(zhǔn)則：

1) 殘差計(jì)算收斂精度1×10-5，性能參數(shù)(如推進(jìn)輪軸向力，葉片扭距等)隨計(jì)算迭代步數(shù)增加呈脈動(dòng)分布。

2) 若預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果存在大分離狀態(tài)，則各性能設(shè)置參數(shù)只需呈周期脈動(dòng)變化，即可視計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)期要求。

2.1.2 清水工況測(cè)試試驗(yàn)

在B級(jí)精度水泵測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行增壓泵的水力性能測(cè)試，管路布置如圖3所示。

圖3 泵測(cè)試臺(tái)架管路布置

2.1.3 數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果分析

在不同進(jìn)水流量下，增壓泵性能試驗(yàn)與計(jì)算特性曲線(xiàn)如圖4～5所示。

圖4 不同工況時(shí)增壓泵Q-H模擬與試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖5 不同工況時(shí)增壓泵Q-η模擬與試驗(yàn)曲線(xiàn)

由圖4～5分析知：

1) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果是在系列假設(shè)前提下得到的，例如壁面光滑、未考慮進(jìn)口預(yù)旋等。因此，計(jì)算的η和H略高于測(cè)試結(jié)果。

2) 增壓泵含氣率為0時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，η和H試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)；在小流量工況和大流量工況下，相對(duì)誤差在8%以?xún)?nèi)。在一定流量范圍內(nèi)，數(shù)值模擬能夠比較準(zhǔn)確地反映旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部的復(fù)雜三維流動(dòng)，可對(duì)推進(jìn)輪水力性能進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

3) 增壓泵輸送含氣率為0及30%的氣液兩相流的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明：氣體含量對(duì)增壓泵性能影響較大，增壓泵含氣率為30%時(shí)，揚(yáng)程較輸送純液流約低38%，效率約低52%。

2.2 增壓泵輸送含氣率30%氣液兩相流時(shí)計(jì)算結(jié)果

2.2.1 增壓泵剖面速度分布及速度矢量圖

圖6是增壓泵剖面速度分布及速度矢量圖。

1) 速度分布圖。增壓泵進(jìn)、出水段及均化器流道內(nèi)速度均勻；由于葉輪的增壓作用，葉輪及導(dǎo)葉內(nèi)速度相對(duì)較高，流速較快；流道內(nèi)同一位置，氣體與液體流速接近，無(wú)顯著差異。

2) 速度矢量圖。流經(jīng)均化器的氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)一致；葉輪及導(dǎo)葉交互處出現(xiàn)較大“渦流”，對(duì)流動(dòng)液流產(chǎn)生阻礙大，造成能量損失。

2.2.2 增壓泵剖面氣液體積分?jǐn)?shù)及壓力分布

圖7是增壓泵剖面氣液體積分?jǐn)?shù)分布及壓力分布圖。

由圖7可以得到：

1) 增壓泵剖面氣、液及氣液混合體積分?jǐn)?shù)分布表明：均化器上部進(jìn)水段位置氣體體積分?jǐn)?shù)較大，接近50%，而該處密度為液體密度1/2；經(jīng)均化器分流、混合作用，經(jīng)均化器底部流出的氣液流混合均勻，在葉輪進(jìn)口處無(wú)明顯氣液分離現(xiàn)象。

2) 增壓泵剖面壓力分布表明：增壓泵進(jìn)口至出口的兩相流壓力逐漸增大，均化器及葉輪過(guò)渡處壓力最低；，易造成進(jìn)口氣蝕或喘振現(xiàn)象。

圖7 增壓泵剖面氣液體積分?jǐn)?shù)分布及壓力分布圖

2.2.3 葉輪及導(dǎo)葉表面密度、壓力及氣液體積分?jǐn)?shù)分布

圖8是葉輪及導(dǎo)葉表面密度、壓力及氣、液體積分?jǐn)?shù)分布圖，可以得到：

1) 增壓泵葉片表面壓力分布。首級(jí)葉輪進(jìn)口至末級(jí)葉輪出口，壓力逐漸增大。首級(jí)葉輪及其導(dǎo)葉表面壓力較低，存在負(fù)壓區(qū)，葉輪存在氣蝕可能性；末級(jí)級(jí)葉輪及其導(dǎo)葉表面壓力較高，無(wú)負(fù)壓區(qū)域出現(xiàn)。

2) 增壓泵葉片表面密度及氣、液體積分?jǐn)?shù)分布。增壓泵首級(jí)葉輪葉片旋轉(zhuǎn)中心的工作面表面氣體體積分?jǐn)?shù)最大，次級(jí)葉輪工作面表面氣體體積分?jǐn)?shù)降低；增壓泵各級(jí)導(dǎo)葉葉片工作面表面氣體體積分?jǐn)?shù)相對(duì)均勻。首級(jí)導(dǎo)葉葉片靠近進(jìn)水邊的工作面附近的氣體體積分?jǐn)?shù)較高，次級(jí)導(dǎo)葉葉片靠近葉片旋轉(zhuǎn)中心的工作面區(qū)域氣體體積分?jǐn)?shù)較高。

圖8 葉輪及導(dǎo)葉表面密度、壓力及氣、液體積分?jǐn)?shù)分布圖

3 結(jié)論

1) 針對(duì)增壓泵內(nèi)部復(fù)雜三維流動(dòng)的水力性能進(jìn)行預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬分析適用于工程實(shí)際應(yīng)用。

2) 兩相流氣體含量對(duì)增壓泵性能影響大，增壓泵含氣率為30%時(shí)，揚(yáng)程較輸送純液流時(shí)約低38%，效率約低52%。

3) 氣液兩相流數(shù)值計(jì)算模擬表明：增壓泵進(jìn)、出口及均化器內(nèi)部流速分布均勻；均化器上側(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)較下側(cè)多；增壓泵底部氣液混合密度較上部大；均化器及葉輪過(guò)渡處壓力最低。

4) 增壓泵首級(jí)葉輪葉片旋轉(zhuǎn)中心的工作面表面氣體體積分?jǐn)?shù)最大，次級(jí)葉輪工作面表面氣體體積分?jǐn)?shù)降低；增壓泵各級(jí)導(dǎo)葉葉片工作面表面氣體體積分?jǐn)?shù)相對(duì)均勻，首級(jí)導(dǎo)葉葉片靠近進(jìn)水邊的工作面附近的氣體體積分?jǐn)?shù)較高，次級(jí)導(dǎo)葉葉片靠近葉片旋轉(zhuǎn)中心的工作面區(qū)域氣體體積分?jǐn)?shù)較高。