尚 勇，曾永忠

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

多相混輸技術(shù)作為陸地及深海油氣開采工程項目的關(guān)鍵技術(shù)，其關(guān)鍵設(shè)備是多相增壓泵。目前，國內(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Bornemann公司，以螺旋軸流多相泵為代表的挪威Framo公司、法國Sulzer公司及Leistritz等公司幾乎壟斷國內(nèi)水下多相增壓泵市場[1]。

中國石油大學等科研院校對增壓泵的單元設(shè)備開發(fā)進行了系列前期調(diào)研。中國石油大學(北京)通過河南石油機械廠開展校企合作、協(xié)同研發(fā)，建立了螺旋軸流式多相泵試驗臺架[2]。

國內(nèi)目前尚無專業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)、銷售及售后于一體的水下多相增壓泵研發(fā)機構(gòu)。國內(nèi)企業(yè)更多的是對多相增壓泵的選型、結(jié)構(gòu)探討、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了論述[3-5]。

多相增壓泵內(nèi)部流動極為復雜，很難對內(nèi)流場進行觀察及研究。目前常用試驗方法對增旋機械內(nèi)部流動特性進行研究，但試驗所需設(shè)備種類多、專業(yè)性強、精度高、成本耗費高、試驗周期長、不確定因素多。伴隨大數(shù)據(jù)、云計算及計算機存儲技術(shù)的快速發(fā)展，國、內(nèi)外諸多機構(gòu)及科研院所廣泛應(yīng)用CFD計算方法研究輸送流體的旋轉(zhuǎn)機械內(nèi)部流動及性能分析，對流體機械內(nèi)部流動特性進行模擬及分析的方法日益普及[6-7]。

本文針對自主設(shè)計的增壓泵過流轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)單元，借助CFD軟件，采用標準k-ε模型與N-S方程對增壓泵三維內(nèi)流場進行數(shù)值模擬計算分析，對增壓泵的水力性能進行模擬計算及測試對比驗證；探尋增壓泵流道、過流部件的速度、壓力、氣體體積分數(shù)及密度等分布規(guī)律。

1 計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型及流道網(wǎng)格劃分

構(gòu)建3D模型，并將計算域模型導入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、導葉三維模型及結(jié)構(gòu)

圖2 增壓泵均化器、葉輪、導葉及流體域剖面網(wǎng)格

1.2 標準k-ε湍流模型

標準k-ε模型由連續(xù)性方程、動量方程、湍動能k方程及湍動能耗散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；Γφ為廣義擴散系數(shù)；φ為通用變量。φ、Γφ、Sφ表達形式如表1所示。

表1 通用控制方程內(nèi)各符號形式構(gòu)成

1.3 增壓泵設(shè)計性能參數(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、出水邊界條件：

1) 進水。假設(shè)葉輪進水無旋流動、壓力均勻分布，由質(zhì)量守恒定律計算得到進水軸向速度。

2) 出水。出水口界條件設(shè)置為標準大氣壓。

多相流模型及數(shù)值計算參數(shù)：

1) 多相流模型。采用Eulerian模型計算求解。

2) 氣體密度。ρ=1.209 kg/m3。

3) 氣體體積分數(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算及測試結(jié)果

2.1.1 清水工況數(shù)值計算

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

計算收斂準則：

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

2) 若預(yù)測計算結(jié)果存在大分離狀態(tài)，則各性能設(shè)置參數(shù)只需呈周期脈動變化，即可視計算結(jié)果滿足預(yù)期要求。

2.1.2 清水工況測試試驗

在B級精度水泵測試臺架上進行增壓泵的水力性能測試，管路布置如圖3所示。

圖3 泵測試臺架管路布置

2.1.3 數(shù)值計算及試驗結(jié)果分析

在不同進水流量下，增壓泵性能試驗與計算特性曲線如圖4～5所示。

圖4 不同工況時增壓泵Q-H模擬與試驗曲線

圖5 不同工況時增壓泵Q-η模擬與試驗曲線

由圖4～5分析知：

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

2) 增壓泵含氣率為0時，設(shè)計參數(shù)條件下，η和H試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)相對誤差在5%以內(nèi)；在小流量工況和大流量工況下，相對誤差在8%以內(nèi)。在一定流量范圍內(nèi)，數(shù)值模擬能夠比較準確地反映旋轉(zhuǎn)機械內(nèi)部的復雜三維流動，可對推進輪水力性能進行有效預(yù)測。

3) 增壓泵輸送含氣率為0及30%的氣液兩相流的數(shù)值計算結(jié)果對比表明：氣體含量對增壓泵性能影響較大，增壓泵含氣率為30%時，揚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%氣液兩相流時計算結(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、出水段及均化器流道內(nèi)速度均勻；由于葉輪的增壓作用，葉輪及導葉內(nèi)速度相對較高，流速較快；流道內(nèi)同一位置，氣體與液體流速接近，無顯著差異。

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

2.2.2 增壓泵剖面氣液體積分數(shù)及壓力分布

圖7是增壓泵剖面氣液體積分數(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數(shù)分布表明：均化器上部進水段位置氣體體積分數(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，在葉輪進口處無明顯氣液分離現(xiàn)象。

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

圖7 增壓泵剖面氣液體積分數(shù)分布及壓力分布圖

2.2.3 葉輪及導葉表面密度、壓力及氣液體積分數(shù)分布

圖8是葉輪及導葉表面密度、壓力及氣、液體積分數(shù)分布圖，可以得到：

1) 增壓泵葉片表面壓力分布。首級葉輪進口至末級葉輪出口，壓力逐漸增大。首級葉輪及其導葉表面壓力較低，存在負壓區(qū)，葉輪存在氣蝕可能性；末級級葉輪及其導葉表面壓力較高，無負壓區(qū)域出現(xiàn)。

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

圖8 葉輪及導葉表面密度、壓力及氣、液體積分數(shù)分布圖

3 結(jié)論

1) 針對增壓泵內(nèi)部復雜三維流動的水力性能進行預(yù)測的數(shù)值模擬分析適用于工程實際應(yīng)用。

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

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

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