史廣泰 但 玥

(西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室；西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院)

0 引 言

由于陸地資源有限，原油的開發(fā)領(lǐng)域已逐漸轉(zhuǎn)移至深海[1]，然而目前對海洋油氣資源的開采利用尚在起步階段，其產(chǎn)量在全球石油總產(chǎn)量中占比較少，具有巨大的開發(fā)潛力[2]。氣液混輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石油產(chǎn)業(yè)[3]，是石油和天然氣開采及運輸過程中的核心技術(shù)[4]。在油氣混輸系統(tǒng)中，關(guān)鍵的設(shè)備為油氣混輸泵[5-8]。

螺旋軸流式油氣混輸泵屬于葉片式泵，具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量大及對固體顆粒不敏感等特點，被認(rèn)為是深海油氣混輸?shù)睦硐朐O(shè)備[9]。目前，國內(nèi)外對混輸泵的研究已有多年，研究方向十分廣泛。史廣泰等[10]對混輸泵葉輪域的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在純水介質(zhì)下，隨流量的增加，葉輪的前半部分做功能力逐漸增強而后半部分做功能力逐漸減弱，在氣液兩相介質(zhì)下，葉輪的做功能力隨進(jìn)口含氣體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減弱；張金亞等[11-13]對三級螺旋軸流式油氣混輸泵可壓縮流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由于氣體的可壓縮性，使得流體從第一級輸送至第三級輸送的過程中，含氣體積分?jǐn)?shù)和總體積流量均逐漸減小，且通過對混輸泵內(nèi)氣液兩相流場進(jìn)行可視化研究，發(fā)現(xiàn)氣液兩相流體在混輸泵入口段表現(xiàn)為泡狀流；李增亮等[14]為提高混輸泵的工作性能，設(shè)計了新型水下氣液混合器，減小了其入口含氣體積分?jǐn)?shù)波動幅度；王慶方等[15]研究了流量對混輸泵首級動葉輪氣相分布的影響，發(fā)現(xiàn)不同流量下，氣相于首級動葉輪進(jìn)口區(qū)域變化較為劇烈；劉清[16]對三級軸流式油氣混輸泵內(nèi)流場壓力脈動特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明壓力波動幅值從進(jìn)口到出口逐漸增大，且壓縮級內(nèi)壓力脈動的主頻幅值沿流動方向逐漸減?。粡埼奈涞萚17]通過對葉片式混輸泵的全流場特性分析，發(fā)現(xiàn)在不同進(jìn)口含氣體積分?jǐn)?shù)下，導(dǎo)葉內(nèi)的氣體均聚集在輪轂處，且隨流動方向逐漸向主流區(qū)擴散；馬希金等[18-20]研究了徑向間隙結(jié)構(gòu)以及葉片傾斜角對油氣混輸泵性能的影響，得出了一種較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及最佳葉片傾斜角范圍，且通過對不同葉片數(shù)的導(dǎo)葉的非定常流場研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為9時，混輸泵內(nèi)非定常流動特性更好; J.H.KIM等[21]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對混輸泵的導(dǎo)葉進(jìn)行優(yōu)化，使混輸泵在設(shè)計工況下的效率得以提高；S.KIM等[22]采用響應(yīng)曲面分析法對混輸泵葉輪進(jìn)行優(yōu)化，使混輸泵的吸力性能和效率均得以提高，并通過數(shù)值分析進(jìn)行了驗證。

由上述研究方向可知，國內(nèi)外針對液相黏度對混輸泵流場分布的影響研究較少，但是在實際運行中液相存在黏度，且混輸泵內(nèi)的流場分布規(guī)律會直接影響混輸泵的性能，故開展液相黏度對混輸泵內(nèi)部流動機理影響的研究顯得非常重要。本文的研究結(jié)果可為混輸泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1 模型建立

1.1 混輸泵三維模型

螺旋軸流式油氣混輸泵主要的過流部件包括螺旋形吸入室、葉輪、導(dǎo)葉以及壓出室。其工作原理是：當(dāng)兩相介質(zhì)進(jìn)入葉輪后，從高速旋轉(zhuǎn)的葉輪上獲得機械能，再通過導(dǎo)葉的擴散作用將動能轉(zhuǎn)換為壓力能，同時調(diào)整兩相介質(zhì)的混合狀態(tài)以滿足下級葉輪的入流條件。

筆者在考慮計算成本和計算機硬件后，對3個壓縮級單元進(jìn)行研究。分析時設(shè)混輸泵的設(shè)計流量為100 m3/h，設(shè)計揚程為85 m，設(shè)計轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。圖1為三級軸流式油氣混輸泵全流道三維模型圖。

圖1 三級軸流式油氣混輸泵全流道三維模型

1.2 數(shù)值計算方法及邊界條件

1.2.1 湍流模型

螺旋軸流式油氣混輸泵內(nèi)的流動屬于高雷諾數(shù)流動，流動較為復(fù)雜，且混輸泵的葉片曲率較大，內(nèi)部流動主要以湍流為主，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型具有適用范圍廣泛及計算精度高等特點，故選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算。具體方程如下：

(1)

(2)

其中：

(3)

μt=ρCμk2/ε

(4)

式中：ρ為密度，ui為速度，μ為動力黏度，μt為湍動黏度，k為湍動能，ε為湍動耗散率，Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，C1ε、C2ε、Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk、σε為與湍動能k及耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù)，σk=1.0，σε=1.3。

1.2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文采用ICEM軟件對吸入室和壓出室進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，由于壓縮單元內(nèi)的兩相流動是本文研究的重點，故對葉輪和導(dǎo)葉采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對葉片表面進(jìn)行O形網(wǎng)格劃分，并對邊壁網(wǎng)格處進(jìn)行加密處理，控制葉片表面Y+值。用于數(shù)值計算的吸入室、葉輪、導(dǎo)葉及壓出室的網(wǎng)格數(shù)量分別為85.5萬、52.8萬、46.2萬及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，具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

本文選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，計算域采用速度進(jìn)口、壓力出口邊界條件，選取介質(zhì)為油氣兩相，其中氣相為空氣，含氣體積分?jǐn)?shù)為30%，油相分別為輕質(zhì)油、中質(zhì)油和重質(zhì)油。壁面采用無滑移邊界條件。在多級混輸泵中，葉輪與相鄰導(dǎo)葉形成了兩級動靜干涉，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(dá)到準(zhǔn)確模擬兩級動靜干涉流的目的?；诳刂企w積法對瞬態(tài)流動基本方程進(jìn)行空間和時間離散，選擇SIMPLEC算法求解壓力場。

1.3 多相流模型選取

油氣混輸泵在對氣液兩相增壓時，氣相含量時刻發(fā)生變化。在模擬計算時，考慮到氣液兩相流動的復(fù)雜性及計算機性能，并根據(jù)研究的實際情況，在計算中選擇精度較高的歐拉雙流體模型。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 液相黏度對混輸泵內(nèi)壓力分布的影響

2.1.1 液相黏度對不同葉高處壓力分布的影響

圖3為螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪0.1倍葉高處的壓力分布云圖。由圖3可知：對于不同黏度的介質(zhì)，從混輸泵首級葉輪進(jìn)口到末級葉輪出口壓力逐漸增大，且隨著液相黏度的增大，混輸泵葉輪0.1倍葉高處的最大壓力區(qū)域逐漸減小；在介質(zhì)為輕質(zhì)油時，混輸泵末級導(dǎo)葉內(nèi)的壓力大于介質(zhì)為中質(zhì)油和重質(zhì)油時的壓力。由此可見，在混輸泵葉輪0.1倍葉高處，介質(zhì)的黏度越小對混輸泵輪轂附近的壓力分布影響越大。

圖3 混輸泵葉輪0.1倍葉高處的壓力分布云圖

圖4為螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪0.5倍葉高處的壓力分布云圖。由圖4可知，在混輸泵葉輪0.5倍葉高處，隨著液相黏度的增大，混輸泵末級葉輪內(nèi)的壓力基本沒有變化，而末級導(dǎo)葉內(nèi)的壓力逐漸減小，但從中質(zhì)油到重質(zhì)油，混輸泵末級導(dǎo)葉內(nèi)的壓力變化較小。由此可見，在混輸泵葉輪0.5倍葉高處，液相黏度對末級導(dǎo)葉內(nèi)部的壓力影響較大，且介質(zhì)的黏度越小對混輸泵末級導(dǎo)葉內(nèi)的壓力分布影響越大。由圖4還可以看出，在油氣混輸泵葉輪0.5倍葉高處，介質(zhì)為中質(zhì)油和重質(zhì)油較介質(zhì)為輕質(zhì)油時的壓力分布更加均勻。

圖4 混輸泵葉輪0.5倍葉高處的壓力分布云圖

圖5為螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪0.9倍葉高處的壓力分布云圖。

圖5 混輸泵葉輪0.9倍葉高處的壓力分布云圖

由圖5可知，在混輸泵葉輪0.9倍葉高處，隨著液相黏度的增大，混輸泵末級葉輪內(nèi)的壓力基本沒有變化，而混輸泵末級導(dǎo)葉和次級葉輪內(nèi)的壓力逐漸減小，但從中質(zhì)油到重質(zhì)油，混輸泵末級導(dǎo)葉和次級葉輪內(nèi)的壓力變化較小。由此可見，在混輸泵葉輪0.9倍葉高處，液相黏度對混輸泵末級導(dǎo)葉和次級葉輪內(nèi)部的壓力影響較大，且介質(zhì)的黏度越小對混輸泵末級導(dǎo)葉和次級葉輪內(nèi)的壓力分布影響越大。

由上述分析可知，液相黏度越小對混輸泵葉輪內(nèi)的壓力分布影響越大，且從混輸泵輪轂到輪緣，液相黏度對混輸泵葉輪內(nèi)壓力分布的影響較大的位置從末級葉輪出口逐漸向首級葉輪進(jìn)口方向移動。

2.1.2 不同液相黏度下混輸泵增壓單元內(nèi)壓力分布

圖6為不同液相黏度下螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪內(nèi)的壓力分布規(guī)律。由圖6可知：在葉輪內(nèi)的壓力變化大于導(dǎo)葉內(nèi)的壓力變化；當(dāng)介質(zhì)為純水時，混輸泵葉輪內(nèi)的壓力最小，而當(dāng)介質(zhì)為輕質(zhì)油時，混輸泵葉輪內(nèi)的壓力最大，當(dāng)介質(zhì)為中質(zhì)油和重質(zhì)油時，混輸泵葉輪內(nèi)的壓力基本相同，且壓力值介于純水和輕質(zhì)油之間。

圖6 不同液相黏度下混輸泵葉輪內(nèi)的壓力分布

2.2 液相黏度對混輸泵內(nèi)速度分布的影響

2.2.1 液相黏度對混輸泵內(nèi)不同葉高處速度分布的影響

圖7為螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪0.1倍葉高處的速度分布云圖。由圖7可知：在混輸泵葉輪0.1倍葉高處，不同黏度下混輸泵葉輪內(nèi)的最大速度相差不大，但當(dāng)介質(zhì)為重質(zhì)油時，混輸泵葉輪內(nèi)的最大速度區(qū)域相對較大，且該區(qū)域主要集中在每級葉輪進(jìn)口區(qū)域；在不同黏度下，混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)存在較大的低速區(qū)。

圖7 混輸泵葉輪0.1倍葉高處的速度分布云圖

圖8為螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪0.5倍葉高處的速度分布云圖。由圖8可知：在混輸泵葉輪0.5倍葉高處，不同黏度下混輸泵葉輪內(nèi)的速度分布基本相同，但當(dāng)介質(zhì)為重質(zhì)油時，混輸泵葉輪內(nèi)的最大速度區(qū)域相對低黏度時略有增大；在混輸泵葉輪0.5倍葉高處，在不同黏度下混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)也存在較大的低速區(qū)，但相比0.1倍葉高處導(dǎo)葉內(nèi)的低速區(qū)較小。

圖8 混輸泵葉輪0.5倍葉高處的速度分布云圖

圖9為螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪0.9倍葉高處的速度分布云圖。由圖9可知：在混輸泵葉輪0.9倍葉高處，不同黏度下混輸泵葉輪內(nèi)的速度分布也基本相同，但相比0.1倍葉高處和0.5倍葉高處，在0.9倍葉高處當(dāng)介質(zhì)為重質(zhì)油時混輸泵葉輪內(nèi)的最大速度略有減??；在混輸泵葉輪0.9倍葉高處，在不同黏度下混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)也存在低速區(qū)，但與0.1倍葉高處和0.5倍葉高處相比，0.9倍葉高處導(dǎo)葉內(nèi)的低速區(qū)明顯減小，且在靠近葉輪葉片吸力面的位置也出現(xiàn)低速區(qū)。

圖9 混輸泵葉輪0.9倍葉高處的速度分布云圖

由上述分析可知，黏度對混輸泵葉輪內(nèi)的速度分布影響較小。同時在不同黏度下從混輸泵葉輪輪轂到輪緣，葉輪內(nèi)的高速區(qū)變化不大，但低速區(qū)變化明顯，即在輪轂位置低速區(qū)主要集中在導(dǎo)葉內(nèi)，而隨著靠近輪緣，導(dǎo)葉內(nèi)的低速區(qū)逐漸減小而葉輪內(nèi)的低速區(qū)逐漸增大。

2.2.2 不同液相黏度下混輸泵增壓單元內(nèi)速度分布

圖10為不同液相黏度下螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪內(nèi)的速度分布規(guī)律。

圖10 不同液相黏度下混輸泵葉輪內(nèi)的速度分布

由圖10可知：在不同黏度下，在每級葉輪和導(dǎo)葉的交界處均存在速度突變；在每級增壓單元內(nèi)，速度從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口均逐漸減小。由圖10還可以看出，不同液相黏度對混輸泵內(nèi)速度的分布基本沒有影響。

3 結(jié) 論

(1)液相黏度越小，螺旋軸流式油氣混輸泵葉輪內(nèi)不同葉高的壓力分布變化越大，且從混輸泵輪轂到輪緣，液相黏度對混輸泵葉輪內(nèi)壓力分布的主要影響區(qū)域從末級葉輪出口逐漸向首級葉輪進(jìn)口方向移動。

(2)液相黏度對混輸泵葉輪內(nèi)不同葉高的速度分布影響較小，且不同黏度下從混輸泵葉輪輪轂到輪緣，葉輪內(nèi)的高速區(qū)變化不大，而低速區(qū)變化明顯，即從輪轂逐漸靠近輪緣處，導(dǎo)葉內(nèi)的低速區(qū)逐漸減小而葉輪內(nèi)的低速區(qū)逐漸增大。

(3)在不同的液相黏度下，每級葉輪和導(dǎo)葉的交界處存在速度突變，每個增壓單元內(nèi)的速度從葉輪進(jìn)口到導(dǎo)葉出口逐漸減小，但液相黏度對混輸泵整個增壓單元的速度分布影響并不大。