朱建軍 李圓圓 姬煜晨 彭建霖 張永學 朱海文

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院；2.中海油研究總院；3.塔爾薩大學石油工程系）

離心泵是一種應用廣泛的通用機械，通常被設計為輸送液體。 它是石油、化工、核電及農業(yè)等領域極其重要的動力設備［1］。在不同應用場景中，自由氣體的侵入或夾帶會導致離心泵葉輪中氣液兩相流動分離和流型轉變，進而引起額外水力損失，表現為揚程和效率降低。 更嚴重地，氣相在旋轉葉輪高剪切流場中富集，極易導致液相流量降低， 形成 “氣鎖”（即葉輪流道被氣相完全占據），造成離心泵輸送系統無法挽回的損失。

近年來，已有學者對離心泵氣液兩相流開展了相關研究，發(fā)現氣液兩相流造成離心泵增壓性能損失是由于旋轉葉輪高剪切流場中氣泡運動誘發(fā)氣液兩相流型轉化導致的［2］。因此，旋轉葉輪高剪切流場內氣液兩相流型識別對于離心泵氣液混輸至關重要。 一方面，氣體在葉輪局部富集直接減小了氣液混合流體密度［3］，降低了離心泵進出口壓差［4］；另一方面，在進口含氣量較高工況下，氣液兩相分布容易誘發(fā)離心泵喘振［5］和“氣鎖”效應，進一步惡化離心泵氣液兩相混輸性能［6］。 喘振能夠導致葉輪異常振動并減少設備運行壽命，而氣鎖則嚴重限制了離心泵內液相流道的面積和流量，進而導致產量顯著下降。

為了進一步揭示葉輪內氣液兩相流型規(guī)律和轉化機制， 國內外學者開展了可視化實驗研究，直接觀測了離心泵高剪切流場中氣泡運動軌跡和規(guī)律。 Murakami M 和Minemura K 首次提出使用帶有透明有機玻璃泵殼半開式葉輪模型泵，采用攝影方法記錄葉輪中的氣液兩相流型并測量了氣泡直徑［7］。Patel B R 和Jr P W R 觀察到葉輪流道內存在兩種流型，低含氣率時為孤立氣泡流，較高含氣率時氣泡開始聚集，在葉輪入口處形成較大的滯留氣泡［8］。Thum D 等在可視化實驗泵的后蓋板上安裝了發(fā)光二極管，以便于同步觀察葉輪內的流場［9］。 李重慶和邵春雷研究了可視化低比轉速離心泵內部氣液兩相流動的流型和氣泡直徑的變化規(guī)律，發(fā)現了4 種流型（泡狀流、聚合泡狀流、氣團流與分層流），提出不同含氣率會導致不同氣泡直徑的分布，為采用最大氣泡直徑劃分流型的方法提供了思路［10］。 張振鐸利用高速攝像系統對離心泵進行全流道可視化實驗［11］。觀察到隨著葉輪入口體積含氣率的增加，氣體占據葉輪流道的有效面積增加，氣泡尺寸逐漸增加且形態(tài)發(fā)生變化，最終滯留的氣泡造成葉輪內的流型發(fā)生變化。

由于直接觀察法在流型轉變邊界處受人的主觀因素影響，一些間接流態(tài)觀察和測量氣相分布情況的方法已經被應用。 Elperin T 和Klochko M 提出對差壓波動信號進行小波變換的分析方法和應用于兩相流在線流型辨識體系的小波方差向量的概念，通過被測信號的小波譜表征不同流型的特征［12］。 Sc?hfer 采用基于伽馬射線的CT成像技術對旋轉葉輪軸向剖面進行多層高速掃描， 并通過時均旋轉同步圖像處理方法獲得離心泵內氣相分布和體含氣率（αG）等重要參數。 但這種方法涉及復雜、 昂貴的儀器， 難以實現現場應用。此外，可以通過識別離心泵性能曲線拐點實現流型識別。 Gamboa J 首次提出該間接方法，也擬合相關經驗式來預測電潛泵流型轉化邊界［13］。 作為識別電潛泵兩相流型新思路， 該方法顯著降低了流型識別的復雜性和難度， 為預測氣液兩相流條件下電潛泵不穩(wěn)定運行提供了可靠數據分析方法。 但此方法在前人的研究中只被應用于高比轉速電潛泵中， 且只對額定工況下的實驗數據進行了驗證， 對超低比轉速離心泵在全工況下的適用性有待考證。因此，本研究將對該方法展開全工況下的實驗驗證。通過檢測離心泵的性能特性曲線，間接獲得氣液兩相流型的過渡邊界。 結合高速攝像機拍攝到的半開式可視化離心泵內葉輪流道的氣液兩相流場圖像， 與間接獲得的旋轉葉輪內兩相流型進行對比，驗證此方法的可行性。

1 實驗研究

筆者擬開展低比轉速離心泵氣液兩相流水力性能測試。 實驗臺包含封閉的水流管路和開放的氣流管路，布局示意如圖1 所示，其中藍/綠色實線為氣液流管道，黃色實線為混合管道。 線上的箭頭表示流體或信號的流動方向。 首先，液體從水箱中流出， 經過電動蝶閥和超聲波流量計，達到可視化離心泵進口管道入口。 隨后，氣體被額定壓力為0.15 MPa 的壓縮機壓縮，并存放在儲罐中，以保證氣流穩(wěn)定，實現持續(xù)供應，減少上游氣體流動的不均勻性。 測量氣體流速后，在離心泵之前完成氣液兩相混合， 然后進入離心泵加壓。 混合物被送到調壓室，水在液體循環(huán)管線中再循環(huán)，然后空氣從水箱頂部因重力釋放。

圖1 離心泵兩相流實驗裝置圖

所有儀器都已連接到通過NI Labview 圖形編程語言開發(fā)的數據采集系統。 氣液流量、進出口壓力、轉速及扭矩等信號被實時監(jiān)測。 實驗開始前根據數據采集系統參數界面來調節(jié)所需工況。 旋轉離心泵內部氣液兩相流從氣體進入葉輪30 s 后達到穩(wěn)態(tài)，此時開始對實驗數據進行監(jiān)測并儲存5～7 s。 將儲存實驗數據中各項參數做均值處理，得到最終所需實驗數據［14］。

在離心泵兩相流的實驗中，成功拍攝到清晰度較高的氣泡圖像是至關重要的。 筆者采用高速攝像機捕捉高速旋轉流場內氣液兩相的流動形式。 由于測試空間的限制，離心泵被分為4 個區(qū)域（圖2），選擇區(qū)域B 作為可視化窗口。對于單流道可視化來說，可以直接觀察到旋轉葉輪內部的流型轉變，進而可以清楚地研究高剪切離心流場中氣泡的動力學行為。

圖2 離心泵葉輪流道可視化觀測裝置圖

2 實驗結果分析

2.1 性能測試

圖3 給出了不同轉速N 下離心泵增壓壓力隨進口液流的實驗結果。從圖中可以看出，隨著進口液體流量的不斷增大， 離心泵的增壓能力呈先增大后減小的趨勢。 且每條測試曲線都出現一個峰值，即離心泵增壓性能的最佳工況點。在最佳工況點右側， 即高流量下離心泵的增壓性能與介質為水時的性能接近。 且含氣率越高對離心泵的增壓能力影響越大。 進口含氣率（IGVF）為6.2%時，在低流量下的離心泵增壓能力受到了嚴重破壞。

圖3 離心泵H-Q 性能曲線圖

對比單相液體流動發(fā)現，只有在液體流量較高時，氣液兩相流動下離心泵的增壓能力與單相時的接近。 且進口含氣率越低，與單相流動時的增壓性能越接近。 隨著液體流量的減小，在達到最佳工況點后， 離心泵含氣流動的性能崩潰，與單相流動下的性能呈相反趨勢。

2.2 流型識別

如圖4 所示為額定工況 （QL=6.25 m3/h，N=1450 r/min） 下進口含氣率分別為0.5%、4.0%和6.2%時，葉輪內的兩相流場分布情況。 當進口含氣率為0.5%時（圖4a），葉輪內氣泡沒有聚集，只有少部分孤立氣泡在葉輪入口處碰撞、 破碎、聚集成較大氣泡，此時葉輪內為泡狀流型，氣泡會在離心力的作用下隨著液體流入蝸殼；隨著進口含氣率的增大，葉輪流道內出現白色氣團聚集區(qū)域，此時葉輪內的流型為氣囊流（圖4b），氣團穩(wěn)定存在， 且從葉片壓力側向葉片壓力側移動，可以通過圖4b（IGVF=4.0%）看到，氣液界面變形強烈造成流動不穩(wěn)定，白色氣團尾部有大量分散氣泡存在，這些小氣泡是由于白色氣團受到剪切力和離心力的作用而分離出來的，它們一部分隨著液體進入蝸殼， 另一部分在流道內形成回流區(qū)域，進入蝸殼的氣泡也有一部分回流到了葉輪流道內； 圖4c 為進口含氣率為6.2%時葉輪內的流場分布，氣液兩相完全分離，在葉輪出口處形成一個白色氣環(huán)，此時一部分流入蝸殼的氣泡也在蝸舌處發(fā)生回流，只有小部分氣泡流進蝸殼后排出，離心泵出現氣鎖現象，此時泵的進出口壓差近似為零。

圖4 離心泵葉輪流道在不同進口含氣率下的流型

2.3 喘振測試及流型轉變

隨著葉輪轉速N 的變化，對應的離心泵最佳工況點QBEP也不同。 但為了方便比較，實驗時以設計工況點的液體流量QL為參考， 取不同的液體流量作為喘振測試的液體流量。 本研究在進口液體流量為0.6QBEP、0.8QBEP、1.0QBEP、1.2QBEP下，對不同轉速下的離心泵進行了喘振實驗，結果如圖5 所示。隨著進口含氣率的增加，泵進出口壓差逐漸減小。 低進口含氣率時，泵性能下降速率較小；當進口含氣率高于某一臨界點時，泵壓降突然下降，出現喘振現象，產生強烈的振動和噪聲。 隨著進口含氣率的不斷增加，泵壓差下降速率逐漸減緩。 當內部流動穩(wěn)定時，壓降速率趨于恒定，泵性能穩(wěn)定下降，直至泵增壓性能再次崩潰，出現氣鎖現象。

結合高速攝像機拍攝到的葉輪內流場圖像，對不同轉速下的離心泵性能曲線做了流型劃分。圖5 中黑色虛線為流型轉變邊界線。 將流型圖分為3 個區(qū)域，泡狀流、氣囊流與氣液分離流。 從圖中可以看到， 無論是額定工況還是非額定工況，離心泵喘振實驗性能曲線的兩個拐點與流型轉變點均吻合。 也就是說，離心泵曲線的兩個拐點在全工況下均可作為流型轉變點。 這同樣驗證了Gambo J 提出的流型識別方法的可行性。

圖5 不同轉速下離心泵喘振實驗及流型轉化邊界圖

2.4 流型圖

通過實驗測試獲得H-Q性能曲線的拐點特征，可以間接識別出旋轉離心泵內部的流型過渡邊界，并由此可以總結出離心泵葉輪內氣液兩相流型圖。 如圖6 所示，彩色點標記了不同流型，分別為泡狀流、氣囊流與氣液分離流；藍色實線與紅色實線分別為泡狀流與氣囊流的轉變邊界和氣囊流與氣液分離流的轉變邊界。 值得注意的是，圖6 中所有流型都是通過識別圖3、5 中實驗測量的離心泵性能曲線拐點特征獲得的。

圖6 不同轉速下離心泵葉輪內氣液流型圖

圖6a 對應離心泵轉速為1 450 r/min 下氣液兩相流型圖。 由圖可見， 進口含氣率較低時（IGVF=2.0%），泡狀流占流型圖的主要部分［15］，且沒有氣液分離流出現。 隨著進口含氣率增大到4.0%，氣囊流占主要部分，且低液體流量處出現氣液分離流。 當進口含氣率增大到6.2%時，氣液分離流區(qū)域增大，高液體流量處泡狀流區(qū)域減小。同時發(fā)現，轉速越高，泡狀流區(qū)域越大。 這可能是因為轉速越高，離心力越大，導致大氣泡或氣團破碎成較小氣泡后流入蝸殼。 與圖6a 類似，圖6b、c分別展示了離心泵轉速為1 305、1 160 r/min時葉輪內氣液兩相流型圖。 隨著葉輪轉速的降低，在氣體流量較低或液體流量較高時，容易提前觸發(fā)泡狀流向氣囊流或氣囊流向氣液分離流的流型轉變，表明離心泵內部的氣體處理能力隨著泵轉速的降低而下降。 文中獲得的旋轉葉輪內氣液兩相流型圖對識別離心泵現場應用中需避免的不穩(wěn)定極端工況具有重要的實用價值。

3 結論

3.1 通過高速攝像機拍攝到葉輪流道內存在3種流型。 在進口含氣率較低時，流道內呈泡狀流型，氣泡不會在葉輪內滯留；隨著進口含氣率增加，氣泡在流道內碰撞、破碎，積聚而呈氣囊流型；當進口含氣率較高時，氣體占據流道大部分流動面積，在離心力和曳力的作用下，氣液兩相分離，呈氣液分離流型。

3.2 結合拍攝到的葉輪流場快照，對比間接獲得的流型轉變邊界，驗證了通過離心泵性能曲線拐點特征的流型識別方法。 在喘振實驗性能曲線的兩個拐點在全工況下均與流型轉變點吻合。

3.3 通過喘振測試實驗和性能測試實驗，繪制出了不同轉速下的流型圖，并劃分了不同流型的轉變邊界。