史廣泰，趙志偉，朱哲瑜，周銘豪

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都 610039)

0 前言

隨著海洋石油工業(yè)的飛速發(fā)展，油氣水多相混輸技術(shù)對(duì)于簡(jiǎn)化海上處理工藝、縮小平臺(tái)面積、節(jié)約平臺(tái)建設(shè)投資、提高海上油氣田開發(fā)效益有越來越重要的意義。在原油的開采過程中，多相混輸系統(tǒng)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用范圍，與傳統(tǒng)的氣液兩相傳輸系統(tǒng)相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便和投資小等優(yōu)點(diǎn)，一直以來都是世界各國(guó)研究的熱門領(lǐng)域之一。

國(guó)內(nèi)目前僅有少數(shù)幾所高校對(duì)螺旋軸流式多相混輸泵進(jìn)行了相關(guān)研究，LIU等在對(duì)多相泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的研究中發(fā)現(xiàn)，多相泵內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬除了阻力外，還需要虛擬質(zhì)量力、升力和湍流彌散力；LI等針對(duì)多相混輸泵的單個(gè)壓縮級(jí)單元比較不同氣體體積分?jǐn)?shù)的外特性變化，發(fā)現(xiàn)隨著GVF的增大，壓差減小，水力效率降低；劉小兵等分析小流量工況下混輸泵的輸運(yùn)性能，發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)口繞流和動(dòng)靜干涉對(duì)葉輪內(nèi)的流動(dòng)分離產(chǎn)生較大的影響,同時(shí)旋渦形成的低壓區(qū)會(huì)加劇進(jìn)口空化、降低泵的混輸性能；張文武等對(duì)混輸泵全流道內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉內(nèi)的氣體均在輪轂處聚集,且沿著流動(dòng)方向,輪轂處的氣體逐漸向主流區(qū)擴(kuò)散；張人會(huì)等通過對(duì)混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)非定常流動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜干擾作用對(duì)導(dǎo)葉下游流動(dòng)影響較小，導(dǎo)葉葉高較大的截面上,流速越高,則含氣量越低；史廣泰等對(duì)多相混輸泵內(nèi)部流動(dòng)及做功能力進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)混輸泵內(nèi)葉輪前1/3段是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部位，且葉輪靠近輪緣處的能量轉(zhuǎn)化能力要強(qiáng)于輪轂處，流動(dòng)不穩(wěn)定性較大，在氣液兩相下動(dòng)靜干涉作用仍是引起混輸泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的主要因素；王慶方等通過不同流量與多相混輸泵首級(jí)動(dòng)葉輪氣相分布關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)不同流量下氣相在首級(jí)動(dòng)葉輪不同葉高進(jìn)口附近變化劇烈,流量對(duì)葉片后半段氣體體積分布影響較大；SHI等分析了氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)多相泵各空化階段能量損失特性的影響，發(fā)現(xiàn)多相泵臨界空化系數(shù)隨GVF增大而減小，且葉輪流體域的總損失和摩擦損失與總流動(dòng)損失的比值隨著空化的發(fā)展逐漸增大；JIANG等對(duì)多相泵靜葉輪內(nèi)的流動(dòng)特性和能量損失進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)葉輪內(nèi)部主要損失為湍流耗散損失和摩擦損失；HUANG等研究流量對(duì)多相泵內(nèi)湍流耗散率分布的影響，發(fā)現(xiàn)湍流耗散率較大的區(qū)域主要在旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止葉輪的進(jìn)出口；YAO等以混輸泵的兩級(jí)壓縮單元為模型研究葉片數(shù)和包角對(duì)混輸泵外特性的影響，探討不同入口氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)泵內(nèi)外特性的影響；SHI等通過研究空化、氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)混輸泵的影響，發(fā)現(xiàn)隨著空化的發(fā)展葉輪內(nèi)的湍流耗散損失逐漸減小，隨著GVF的增大擴(kuò)壓器內(nèi)氣相聚集更加明顯，氣相體積分?jǐn)?shù)從輪緣到輪轂逐漸增大。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)螺旋軸流式多相混輸泵內(nèi)能量損失影響的研究還相對(duì)較少，實(shí)際運(yùn)行中混輸泵內(nèi)存在各種能量損失，且導(dǎo)葉葉片數(shù)會(huì)對(duì)各能量損失產(chǎn)生影響，故開展導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)螺旋軸流式多相混輸泵內(nèi)能量損失的研究顯得十分重要。鑒于此，在不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下對(duì)混輸泵內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同工況下多相混輸泵外特性及其內(nèi)能量損失的變化規(guī)律，為多相混輸泵的做功性能的改善設(shè)計(jì)提供了參考。

1 計(jì)算模型

選用自主設(shè)計(jì)的螺旋軸流式多相混輸泵為研究對(duì)象，該泵設(shè)計(jì)參數(shù)如下：流量=100 m/h，轉(zhuǎn)速=3 000 r/min，級(jí)數(shù)1級(jí)，效率=38%，介質(zhì)溫度常溫。

應(yīng)用三維建模軟件對(duì)混輸泵的葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)出口延長(zhǎng)段等過流部件進(jìn)行建模，最后將建好的模型進(jìn)行裝配，多相混輸泵整體水力模型組裝圖如圖1所示。

圖1 多相混輸泵整體水力模型組裝圖

2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件

2.1 湍流模型

文中考慮到計(jì)算時(shí)間及成本等因素，選用SST-湍流模型。SST-模型在標(biāo)準(zhǔn)-模型基礎(chǔ)上考慮了剪切應(yīng)力對(duì)湍流流動(dòng)的影響，修改了湍流黏性方程，能夠處理近壁區(qū)域的自由流動(dòng)問題，與標(biāo)準(zhǔn)-模型相比，精度更高，可信度更好。

SST-模型表達(dá)式如下：

(1)

-+

(2)

為了使用SST-模型解決一些流動(dòng)問題中出現(xiàn)局部區(qū)域過度湍流現(xiàn)象，在湍流耗散率方程中增加了新的湍流耗散項(xiàng)：

(3)

式中：為與壁面的距離;為時(shí)間;為密度;為速度;為比耗散率;為湍動(dòng)能;、、為坐標(biāo);、、分別為湍動(dòng)能、比耗散率的產(chǎn)生項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng);、為湍動(dòng)能、比耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特常數(shù);為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用TurboGrid對(duì)葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉輪和導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)分別在103萬和100萬左右；采用ANSYS ICEM對(duì)進(jìn)出口延長(zhǎng)段進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)出口延長(zhǎng)段結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖2所示?？紤]數(shù)值計(jì)算的收斂性等因素，對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，最終采用300萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖2 葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)出口延長(zhǎng)段區(qū)域網(wǎng)格圖

選用基于SST-湍流模型，計(jì)算域采用速度進(jìn)口、壓力出口邊界條件，含氣率9%，壁面采用無滑移壁面殘差，收斂標(biāo)準(zhǔn)為10。在不同流量工況(70、80、90、100、110 m/h)下，對(duì)導(dǎo)葉葉片數(shù)為7、8和10時(shí)的螺旋軸流式多相混輸泵進(jìn)行數(shù)值模擬。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)混輸泵外特性的影響

圖3為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下的流量-揚(yáng)程曲線?？煽闯觯涸诓煌瑢?dǎo)葉葉片數(shù)下，多相混輸泵的揚(yáng)程都呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即隨著流量的增大逐漸地減小。在小流量工況下(70～90 m/h)，導(dǎo)葉數(shù)為7和10時(shí)多相混輸泵的揚(yáng)程隨流量的增加先快速下降然后變緩，而導(dǎo)葉數(shù)為8時(shí)一直緩慢下降，且導(dǎo)葉數(shù)等于10時(shí)的揚(yáng)程最低。而在流量為90～110 m/h的范圍內(nèi)，多相混輸泵的揚(yáng)程均隨著導(dǎo)葉葉片數(shù)的增加而急劇降低，且導(dǎo)葉數(shù)為10時(shí)降低得更快?？梢?，當(dāng)導(dǎo)葉葉片數(shù)為10時(shí)的揚(yáng)程明顯低于其他兩個(gè)方案。

圖3 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下的流量-揚(yáng)程曲線 圖4 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下的流量-水力效率曲線

圖4為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下的流量-水力效率曲線?？煽闯觯憾嘞嗷燧敱玫乃π孰S著流量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下，多相混輸泵外特性曲線的最高效率點(diǎn)均在設(shè)計(jì)流量附近。且當(dāng)流量大于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7和8時(shí)的水力效率非常接近，導(dǎo)葉葉片數(shù)為10時(shí)的水力效率相較于其他兩個(gè)方案有明顯降低，且其最高效率點(diǎn)偏向于小流量工況。這說明導(dǎo)葉葉片數(shù)增大時(shí)，多相混輸泵中導(dǎo)葉體的表面積增大，排擠作用增強(qiáng)，導(dǎo)致混輸泵中水力損失增多，故多相混輸泵的效率下降。

3.2 導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)混輸泵內(nèi)能量損失的影響

3.2.1 葉輪內(nèi)的水力損失

圖5為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪進(jìn)口的沖擊損失?？煽闯觯寒?dāng)流量低于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7和10時(shí)混輸泵葉輪進(jìn)口的沖擊損失大于導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)，且導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)葉輪進(jìn)口的沖擊損失最大；當(dāng)流量大于90 m/h時(shí)，3種導(dǎo)葉葉片數(shù)方案下的葉輪進(jìn)口沖擊損失相差不大，說明流量較大時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)多相混輸泵葉輪進(jìn)口的沖擊損失的影響不大。

圖5 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪進(jìn)口的沖擊損失

圖6為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的收縮損失。可看出：隨著流量的增加3種導(dǎo)葉葉片數(shù)方案下多相混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且峰值點(diǎn)都在流量80 m/h附近。在流量小于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7和10時(shí)多相混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失較為接近，導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失略小于其他兩方案；當(dāng)流量大于90 m/h時(shí)，3種導(dǎo)葉葉片數(shù)方案下混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失都較為接近?？傮w來看，導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失最小。

圖6 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的收縮損失 圖7 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的湍流耗散損失

圖7為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的湍流耗散損失?？煽闯?當(dāng)流量小于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)多相混輸泵葉輪內(nèi)的湍流耗散損失明顯大于導(dǎo)葉葉片數(shù)為10時(shí)，且流量越小差別越大。還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量大于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7和10時(shí)混輸泵葉輪內(nèi)的湍流耗散損失相接近且大于導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)。整體而言當(dāng)導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)葉輪內(nèi)的湍流耗散損失最小。從圖7還可以看出：各導(dǎo)葉葉片數(shù)下葉輪內(nèi)的湍流耗散損失變化幅值較大，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)葉輪內(nèi)的湍流耗散損失變化幅值最大，高達(dá)0.69 m。

3.2.2 導(dǎo)葉內(nèi)的水力損失

圖8為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊損失。可看出：3種導(dǎo)葉葉片數(shù)下多相混輸泵導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊損失隨著流量的增加逐漸減小，且在3種導(dǎo)葉葉片數(shù)下，多相混輸泵導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊損失都幾乎相同，說明導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)多相混輸泵導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊損失影響較小，可不予考慮。

圖8 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊損失 圖9 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失

圖9為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失?？煽闯?3種導(dǎo)葉葉片數(shù)下多相混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失都隨著流量的增加逐漸減小。當(dāng)流量小于80 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為8和10時(shí)混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失比較接近，且兩者導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失均小于導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí);當(dāng)流量大于80 m/h小于90 m/h時(shí)，各導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失相差不大;當(dāng)流量大于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的收縮損失最小，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)相對(duì)較大。

圖10為不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失。可看出：隨著流量的增加導(dǎo)葉葉片數(shù)為8和10時(shí)多相混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失都隨著流量的增加逐漸減小，且兩導(dǎo)葉葉片數(shù)下混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失相差不大；而導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失隨著流量的增加波動(dòng)性較大。當(dāng)流量小于80 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失明顯高于導(dǎo)葉數(shù)為8和10時(shí)；當(dāng)流量大于80 m/h小于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)混輸泵導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失明顯小于導(dǎo)葉數(shù)為8和10時(shí)；當(dāng)流量大于90 m/h時(shí)，導(dǎo)葉葉片數(shù)為7時(shí)導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失明顯大于導(dǎo)葉數(shù)為8和10時(shí)。

圖10 不同導(dǎo)葉葉片數(shù)下導(dǎo)葉內(nèi)的湍流耗散損失

4 結(jié)論

(1)當(dāng)導(dǎo)葉葉片數(shù)為10時(shí)混輸泵的揚(yáng)程和水力效率均明顯低于導(dǎo)葉葉片數(shù)為7和8時(shí)，且其最高效率點(diǎn)偏向于小流量工況?？梢?，當(dāng)導(dǎo)葉葉片數(shù)為10時(shí)的外特性明顯變差。

(2)不同流量下，導(dǎo)葉葉片數(shù)為8時(shí)混輸泵葉輪內(nèi)的收縮損失和湍流耗散損失最小，而導(dǎo)葉葉片數(shù)對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)口的沖擊損失影響很小，可不予考慮其影響。

(3)綜合全文分析可知，當(dāng)導(dǎo)葉葉片數(shù)等于8時(shí)混輸泵的外特性最優(yōu)，且其流道內(nèi)的能量損失最小。