錢欽 車傳睿 聶飛朋 李丙賢 薛曉雨 董祥偉 高雷雷

摘要：針對目前油田使用的2種不同葉輪和導輪結構的電潛離心泵，采用計算流體動力學方法進行泵內流場模擬。在流量為80～200 m3/d，介質運動黏度為1～40 mm2/s的工況下研究泵的外特性差異?；贔LUENT商業(yè)軟件，采用標準k-ε湍流模型建立數(shù)值仿真模型，分析2種泵的葉輪在不同工況下的流場分布規(guī)律，根據(jù)速度矢量分布探究靜壓分布出現(xiàn)的原因。繪制泵的特性曲線，包括揚程、效率與流量的關系，發(fā)現(xiàn)泵特性出現(xiàn)變化的工況點與流場分析結果相對應。根據(jù)流場模擬結果分析2種泵所適用的工況，結果表明： 徑向流泵適用于大流量和高黏度工況，混向流泵適用于較低流量和中低黏度工況。研究成果可為不同工況下泵的選擇及泵的結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關鍵詞：潛油電泵; 葉輪結構; 外特性; 特性對比; 數(shù)值模擬

中圖分類號：TE933.307? ?文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.001

Abstract：The computational fluid dynamics （CFD） method was used to simulate the flow field in two kinds of submersible centrifugal pumps with different impeller and regulating wheel structures. The external characteristic difference of the pump was studied under the condition that the flow rate is 80～200 m3/d and the medium motion viscosity is set to 1～40 mm2/s. Based on the commercial software FLUENT， the numerical simulation model was established by using the standard k-εturbulence model to analyze the flow field distribution law of two kinds of pumps under different working conditions and explain the distribution law of static pressure according to the velocity vector distribution. The characteristic curve of the pump was predicted， including the relationship between head， efficiency and flow rate. It is found that the working condition point of the pump characteristic changes is corresponding to the analysis result of the flow field. According to the flow field simulation results， the two pumps were analyzed. The results show that the radial flow pump is suitable for large flow rates and high viscosity conditions， and the mixed flow pump is suitable for low flow rates and low viscosity conditions. It provides a theoretical basis for the selection of pumps under different working conditions and the optimization of the pump structure.

Key words：submersible electric pump; impeller structure; external characteristics; characteristic comparison; numerical simulation

隨著二次采油達到經(jīng)濟極限，綜合利用物理和化學方法的三次采油技術逐漸被采用，以此來提高驅油的效率［1］ 。聚合物驅油技術的應用，采出液黏度的改變，會導致潛油電泵無法對油藏進行充分的開采［2-3］。張曉嬌［4］ 發(fā)現(xiàn)輸送液體的黏度及流量的改變對潛油電泵的性能有較明顯的影響，當流量不變時，隨著輸送液體黏度的增大，泵的揚程、效率均有下降；在黏度相同、排量不同的工況下，每種規(guī)格的潛油電泵有各自合理的工況點。張武高等［5］ 人通過試驗研究離心泵在輸送黏性液體時的相似關系，研究發(fā)現(xiàn)泵的轉速及泵輸送液體黏度的變化會對泵的性能產(chǎn)生一定影響，當輸送液黏度較低時，泵的性能符合相似定律，當輸送液體黏度較高時，泵性能的變化規(guī)律存在偏差。李文廣等［6］ 研究了輸送不同黏度流體時葉片出口角對泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)泵的揚程隨著流體黏度的增加而變化，在某一黏度值下?lián)P程達到最高值，然后又隨黏度的增加而下降。陳曉玲等［7］為消除黏性對離心泵的不利影響，經(jīng)過實驗分析得到在輸送較高黏度流體時，增大葉輪的出口寬度，可明顯提高泵的性能。劉宜等［8］通過實驗測得離心泵輸送黏油時葉輪內流域的流動特性，發(fā)現(xiàn)隨著流體黏度的升高，葉片壓力面的流體從葉輪入口到達出口的過程中速度逐漸增大，葉片吸力面附近產(chǎn)生尾流，2個葉片之間產(chǎn)生的速度差會導致尾流，加速形成漩渦，從而降低泵的性能。

近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，計算流體力學（CFD）廣泛應用于工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)領域，是離心泵等水力機械優(yōu)化設計的重要方法。魏培茹等［9］應用CFD技術對某公司所應用的某型號多級泵進行數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結果對泵的過渡流道結構進行優(yōu)化。王昌生等［10］利用CFD軟件Fluent，設計了2種低比轉速的多級離心泵的葉輪方案，并進行數(shù)值模擬，結果發(fā)現(xiàn)，適當增加葉片數(shù)可增加葉輪的高效區(qū)范圍。Stel Henrique等［11］利用CFD 軟件探討了流體黏度和轉速對潛油電泵性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)輸送高黏度流體時，當泵工作在最佳效率點時，泵內流體的流動方向不一定面向葉片；泵在非設計工況點時，數(shù)值模擬能很好地反應泵內流場特征。黃思等［12］為分析多級多出口離心泵內流場分布及壓力分布，利用CFD技術對泵整機進行全三維流場的數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬得出的性能曲線與試驗結果進行對比，驗證了CFD方法的準確性，證明模擬計算對泵的優(yōu)化設計有一定的應用價值。李越等［13］在對寬幅電潛泵葉導輪進行設計時，利用Ansys軟件對電潛泵進行數(shù)值模擬，得到泵內部壓力場和速度場分布，并使用3D打印樣件及鑄造樣件進行試驗，與數(shù)值模擬結果分別相差6.1%與1.3%，驗證了數(shù)值模擬結果有一定的準確性。Zhu J等［14］通過試驗研究及CFD模擬，探討了原油黏度對多級電潛泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)當原油黏度從10 mm2/s增加到100 mm2/s時，泵增壓壓力降低30%～40%。當原油黏度高于200 mm2/s時，電潛泵將失效。隨著油黏度的增加，泵的外特性曲線變得更加線性。馬棟棋等［15］用Fluent軟件對1臺微型離心泵進行數(shù)值模擬計算，并對離心泵進行性能試驗，將2種方法所得特性曲線進行對比，結果表明數(shù)值模擬所得泵特性曲線與試驗所得曲線總體趨勢一致，數(shù)值模擬結果可用于指導實際優(yōu)化設計。應用數(shù)值模擬的方法可以對多級泵進行定常和非定常數(shù)值模擬計算，該技術能以較低的成本得出離心泵結構參數(shù)對泵工作性能的影響。

本文以油田使用的2種不同葉導輪結構的電潛離心泵作為研究對象，利用CFD技術對葉輪及導輪進行內部流場的數(shù)值模擬，分析泵內流場的壓力分布和速度分布，預測泵的特性曲線。通過模擬計算的結果對2種泵的性能進行對比，為不同工況下泵的選擇和泵的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 計算模型

根據(jù)油田所提供的2種不同葉導輪結構的電潛泵樣件，建立泵的三維模型。圖1為徑向流泵葉輪和導輪實物照片。圖2為混向流泵葉輪和導輪實物照片。

1.1 徑向流泵模型參數(shù)

徑向流泵葉輪和導輪內部結構相對簡單，對實物測繪后利用SOLIDWORKS進行三維建模，如圖3所示。圖4為葉輪和導輪的軸面投影圖。

徑向流泵葉輪和導輪結構參數(shù)如表1所示。

1.2 混向流泵模型參數(shù)

混向流泵內部結構較為復雜，將零件破拆進行三維掃描測繪，獲得混向流泵葉輪和導輪的三維模型，如圖5所示。葉輪及導輪結構參數(shù)如表2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

使用Solidworks軟件分別建立2種潛油電泵單級葉輪和導輪的流道三維模型，并進行網(wǎng)格劃分。為了減少邊界條件對計算結果的影響，將模型進出口計算區(qū)域延伸。葉輪及導輪結構復雜，采用適應性較強的非結構網(wǎng)格，進出口結構單一采用六面體結構網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分情況如圖6。

2.3 邊界條件

當流體運動黏度數(shù)值高于30 mm2/s時統(tǒng)稱為高黏油［16］ ，通常將運動黏度20 mm2/s作為泵性能換算的分界點［17］ 。本文所選取的介質為20 ℃的清水，改變清水的黏度，運動黏度分別取1、10、20、30和40 mm2/s；根據(jù)油田現(xiàn)場所提供的數(shù)據(jù)，泵的流量為80～200 m3/d，分別取流量80、100、120、140、160、180和200 m3/d，將所選取的黏度值和流量值分別組合進行數(shù)值模擬。

將葉輪流域設置為運動坐標系，葉輪旋轉速度為2 980 r/min，導輪及其他流域設置為靜止參考系。采用速度入口，壓力出口，入口速度為所設定的流量值與2種葉輪入口面積的比值；壁面條件將導輪等靜止壁面設置為無滑移壁面，葉輪葉片設置為移動壁面，相對旋轉速度為0。采用有限體積法對控制方程在網(wǎng)格上進行離散，離散采用二階迎風格式，采用COUPLE算法求解壓力-速度耦合方程。

2.4 網(wǎng)格無關性驗證

本文對泵流道的模型劃分了157萬、195萬、264萬、335萬和440萬5種疏密程度不同的網(wǎng)格，在流量80 m3/d和運動黏度1 mm2/s時進行數(shù)值模擬，繪制不同網(wǎng)格數(shù)計算下的揚程曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，當網(wǎng)格數(shù)達到264萬后，揚程的模擬結果趨于穩(wěn)定，此時繼續(xù)加密網(wǎng)格對計算結果的準確性影響很小，故本文采用264萬網(wǎng)格數(shù)目進行求解。

3 模擬結果分析

取較有代表性的工況值：低、中、高介質黏度值1、20、40 mm2/s及流量值80、180 m3/d，對泵內部流場進行對比分析。

3.1 葉輪靜壓分布

3.1.1 輸送介質黏度為1 mm2/s

當潛油電泵輸送介質的黏度為1 mm2/s，也就是輸送介質為水時，分析結果如圖8所示。

1） 徑向流泵和混向流泵葉輪內流域的靜壓分布較為均勻，隨著葉輪旋轉葉片對流體持續(xù)做功，流體動能增加，葉輪壓力分布沿徑向由內向外逐漸升高，葉輪入口壓力最小，出口處壓力最大。

2） 當流量增大時，葉輪出口處的壓力有明顯的增大，入口處的壓力也有相應的提高，且入口處低壓區(qū)的面積隨著流量的增大而減??；葉輪出口處葉片工作面的壓力明顯高于非工作面壓力。

3） 對比圖8a與圖8c，在小流量工況下，混向流泵葉輪壓力在兩相鄰葉片之間的流道擴散分布較徑向流泵更為均勻；徑向流泵入口處兩葉片中間流道低壓區(qū)域外凸，同半徑下，葉片附近的壓力低于流道中間的壓力，此區(qū)域葉片附近的液流易發(fā)生脫流，而混向流泵入口處壓力分布較為均勻，混向流泵的吸入性能要優(yōu)于徑向流泵。

4） 對比圖8b與圖8d，在較高流量工況下，徑向流泵葉輪在入口處壓力高于混向流泵葉輪入口壓力，且壓力分布較混向流泵更均勻；混向流泵葉輪入口附近流道的壓力要低于葉輪入口，即，液體在流入葉輪后壓力有突然的降低，這對泵的性能有一定的影響。徑向流泵在葉輪入口處葉片非工作面存在低壓區(qū)，且低壓區(qū)隨著葉輪的旋轉方向擴散；混向流泵的最低壓力出現(xiàn)在葉輪入口處葉片的工作面，低壓區(qū)的擴散方向與葉輪旋轉方向相反。2種泵葉輪低壓區(qū)位置的不同可能與葉片的入口角及葉片厚度有關，從吸入口流入葉輪的過程中，液體繞流葉片，流道過流面積突然縮小，在此處流速增大，壓力相應下降；液流繞流葉片頭部時，流速增大，且由于2種泵葉輪、葉片幾何形狀的不同，液流的轉向方向也不同。低壓區(qū)處會發(fā)生汽蝕，對泵的性能及壽命產(chǎn)生影響。2種泵發(fā)生汽蝕的位置不同，葉輪發(fā)生汽蝕后，對泵內部液流的影響也不同。

3.1.2 輸送介質黏度為20 mm2/s

輸送介質黏度為20 mm2/s時，分析結果如圖9所示。與圖8相比，當介質黏度增大，2個泵葉輪內部的整體壓力增大。流量為80 m3/d時，2個泵的壓力分布情況與圖8類似，混向流泵葉輪的壓力分布要好于徑向流泵。當流量為180 m3/d時，在20 mm2/s黏度工況下，2個泵葉輪低壓區(qū)面積較黏度1 mm2/s工況時減小，且混向流泵低壓區(qū)面積極小，靠近入口處流道壓力降低不明顯，徑向流泵葉片入口仍存在低壓區(qū)，混向流泵葉輪整體壓力分布也更為均勻。

圖9a和圖9b顯示，徑向流泵葉輪的最低壓力點始終在葉輪入口處葉片的后方。由圖9c和圖9d知，混向流泵葉輪的最低壓力點在小流量工況下，位于葉片入口處偏非工作面一側。在大流量工況下，壓力最低點出現(xiàn)在葉片入口工作面一側。

3.1.3 輸送介質黏度為40 mm2/s

如圖10所示，輸送介質黏度為40 mm2/s的工況下，隨著流量的增大，潛油電泵葉輪流場的壓力逐漸增高，葉輪出口和入口的壓力提高明顯，徑向流泵葉輪葉片入口處的低壓區(qū)面積減小，葉片出口處壓力變得更為均勻；隨著流量的增大，混向流泵葉輪入口壓力顯著提高，泵的吸入性能變好，但隨著流量的增大，葉輪低壓區(qū)由葉片入口處非工作面轉移到葉片的前緣；流量180 m3/d時，液流流入葉輪后，流道內的壓力低于入口，說明液流進入葉輪后有壓力的降低，這對泵的性能可能有一定的影響。

結合圖8～10，隨著輸送介質黏度的增高及流量的增大，徑向流泵葉輪葉片的整體壓力分布越來越均勻，葉輪葉片入口處的低壓區(qū)面積越來越小，低壓區(qū)一直位于葉輪入口處葉片的非工作面；混向流泵液流流入葉輪后，靠近入口處的流道會有壓力的降低，壓降值會隨著黏度的增大先減小后增大，低壓區(qū)的位置也會隨著黏度值的改變而變化。

3.2 葉輪速度場分布

對葉輪內部流域速度流線進行對比分析，尋求影響葉輪壓力分布的原因。

3.2.1 徑向流泵

根據(jù)徑向流泵葉輪速度流線圖（如圖11），流體黏度較低時，葉輪內液流由入口沿葉片非工作面進入，然后迅速流向后一葉片的工作面，葉片非工作面出現(xiàn)嚴重的脫流，這種現(xiàn)象嚴重影響泵在低黏度小流量工況下的性能。

根據(jù)圖11（b、d、f），隨著流量的增大，葉輪入口處非工作面流速最大，且流速在圓周方向上逐漸降低，流速降低的方向與葉輪旋轉方向相反，導致此處出現(xiàn)低壓區(qū)。徑向流泵葉輪的速度場分布隨著黏度的增大逐漸均勻，由于徑向流泵葉輪葉片較小，相鄰葉片間的流道較寬，使其更適合高黏度大流量工況。

3.2.2 混向流泵

根據(jù)圖12（a、c、e），混向流泵在小流量工況下，液流速度在入口處葉片非工作面最大，此處的速度隨著黏度的增大而降低。由圖12（b、d、f），在大流量工況下，入口處葉片工作面液流速度最大，液流速度隨著黏度的增大先增大后減小。高速區(qū)的出現(xiàn)可能由于液流流經(jīng)葉片時過流面積突然減小，致使流速變大。由圖12b可以看出，入口處葉片工作面的高速區(qū)沿徑向前一葉片的非工作逐漸擴散，在葉片非工作面出現(xiàn)一段高速區(qū)，導致了液流在流入混向流泵葉輪后出現(xiàn)壓力的降低。

根據(jù)圖11與圖12，液流在徑向流泵葉輪沿著葉片工作面流動，混向流泵在葉片工作面有輕微的脫流現(xiàn)象，在小流量工況下較為明顯。

3.3 泵外特性曲線

根據(jù)徑向流泵外特性曲線（如圖13）及混向流泵外特性曲線（如圖14），泵揚程隨著流量的提高及黏度的增大而逐漸降低，泵的高效區(qū)隨黏度的增大逐漸左移，高效區(qū)范圍也越來越窄。離心泵內存在機械損失、水力損失和容積損失，黏度對容積損失的影響很小，黏度增加時泵性能下降的主要原因是由于水力損失和摩擦損失增大造成的［18］ 。葉輪摩擦損失和流體黏度是指數(shù)函數(shù)關系，水力損失隨著流體黏度的增高而增大，且水力損失的速率隨著黏度的增高而加快［17］ 。

3.3.1 徑向流泵

由徑向流泵外特性曲線（如圖13），單級泵在輸送水時揚程最高為6.08 m，效率最高為59.57%；當

黏度為1 ～10 mm2/s時，徑向流泵揚程變化幅度不大；當黏度大于10 mm2/s時，揚程曲線呈明顯的梯度下降趨勢。在工況80 m3/d時泵效對黏度變化不敏感，黏度大于30 mm2/s時，在工況流量范圍內泵的高效區(qū)消失。由混向流泵外特性曲線（圖14），泵單級泵揚程輸送水介質時最高為7.34 m，泵在輸送介質黏度為1 mm2/s時出現(xiàn)最高效率點，泵效為74.26%。

3.3.2 混向流泵

混向流泵的揚程和效率對黏度的變化較為敏感，在中低流量范圍內輸送高黏度介質的性能要優(yōu)于徑向流泵。對于高黏度介質、大流量工況，混向流泵的外特性曲線下降明顯，介質黏度大于30 mm2/s、流量大于160 m3/d時，混向流泵的揚程及效率相較于徑向流泵，下降速率較大。

3.3.3 2種泵的外特性對比分析

圖15為潛油電泵在不同黏度下的外特性曲線對比圖，能更加清楚地展現(xiàn)2種潛油電泵在同一工況下的差異，為不同工況泵型的選擇提供一定程度上的理論指導。

1） 介質黏度為1 mm2/s時，如圖15a，當流量在80～140 m3/d時，混向流泵的揚程效率均高于徑向流泵；流量繼續(xù)增大，混向流泵的性能大幅下降，大流量時徑向流泵的性能明顯要好。這也對應了圖8，混向流泵葉輪流場靜壓云圖在大流量時出現(xiàn)的低壓區(qū)對泵的性能產(chǎn)生了影響，使混向流泵的外特性有明顯的變化。

2） 介質黏度為10 mm2/s時，如圖15b，混向流泵的效率在各工況流量下遠高于徑向流泵，但是當流量增大時，徑向流泵的揚程要略高于混向流泵。

3） 介質黏度為20 mm2/s、40 mm2/s時，如圖15c和圖15d，混向流泵在小流量工況時性能表現(xiàn)較好，大流量工況時徑向流泵性能較好。由之前對泵葉輪內部流場的分析，徑向流泵葉輪相鄰2個葉片之間的流道較寬，對高黏度介質、大流量工況適應性較好。根據(jù)圖15d，混向流泵在高黏度、大流量工況下已經(jīng)不能正常工作。介質黏度較高時，如圖15c，在流量180 m3/d下混向流泵的效率略高于徑向流泵，但揚程低于徑向流泵。此工況流量點隨著介質黏度的增大而逐漸左移，如圖15d，此現(xiàn)象在流量140 m3/d時出現(xiàn)，針對此流量區(qū)間進行泵型的選擇時，要結合經(jīng)濟效益綜合考慮。

4 結論

1） 分析了2種電潛離心泵的流場分布規(guī)律，包括靜壓分布規(guī)律和局部速度矢量分布圖。通過內流場模擬，對比分析了導致泵揚程或效率下降的原因，為該泵葉導輪結構定量優(yōu)化提供參考。

2） 在所研究的流量范圍內，徑向流泵的內流場壓力分布和速度分布隨著流量和黏度的增大而逐漸變得均勻，徑向流泵葉輪較寬的流道更適合輸送高黏度的介質?；煜蛄鞅迷诹髁枯^低時內部流場分布更為均勻；當流量較高時，液流經(jīng)過葉輪入口后存在壓力的降低，低壓區(qū)的面積隨黏度的增大先增大后減??；低壓區(qū)的存在對泵的性能影響較大，并在外特性曲線上有所體現(xiàn)。

3） 由泵的揚程和效率曲線可知，徑向流泵適用于低黏度和高黏度下的大流量工況；混向流泵適用于工況流量范圍內中低黏度工況，以及低黏度和高黏度下的中小流量工況；中高黏度下較大流量工況，則需要結合實際的經(jīng)濟效益來選泵。

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