3級離心混輸泵在氣液兩相流條件下流動特性分析

張開輝，童文勇

(福建水利電力職業技術學院，福建 三明 366000)

1 概述

離心泵由于揚程高、效率高的特點在氣液混輸中被廣泛使用[1]。但是由于氣體的存在，泵內部流動狀態比純液狀態下復雜，其性能受到進口含氣率、空化及運行環境等的影響[2]。

Murakami等[3]通過試驗驗證了進口氣體含量對泵的性能有明顯的影響，并通過高速相機觀察在不同進口工況下水泵內部的流動狀態。Barrios等[4]采用了Eulerian-Eulerian非均勻流模型分析了電動潛水泵葉輪內部氣液兩相流動的基本規律。Jianjun Zhu等[5]通過實驗測試得出電潛泵中氣體的夾帶量的增加，泵送的壓力從緩慢下降到急劇下降。Jun-Won Suh等[6]對雙螺桿多級泵進行氣液兩相流實驗和數值計算研究，得出不同壓縮室的大小與氣液混合物的壓力成反比。劉建瑞等[7]對自吸式氣液兩相流泵進行數值計算，得出葉輪內的壓力隨著流動方向逐漸增加，但不同的氣液比例條件下壓力梯度有所不同。閆思娜等[8]通過對單泵模型氣液兩相工況外特性和葉片表面壓力分布的數值模擬結果與試驗對比，發現采用SST模型進行數值計算的準確性。

本文結合深海開采工程采用ANSYS CFX 利用Eulerian兩相流模型對三級離心式氣液混輸泵進行三維數值計算，分析不同進口含氣率工況下的泵的兩相流運行特性，得出泵運行特性變化與進口氣體分數的占比的關系，以及氣體在葉輪內部的分布規律，為后續泵葉片優化提供理論依據。

2 研究方法

本文以3級離心式混輸泵作為計算的幾何對象，根據李晨浩等[9]的研究，發現含有氣體的離心泵的內部流動狀態較為混亂，同時氣液分布也不均勻，故采用歐拉—歐拉非均相湍流計算模型進行數值模擬。在該模型下將液相定義為連續相，氣相則將氣體定義為一顆顆離散的氣泡，考慮兩相之間的速度滑移和氣液兩相之間的動量交換[10]。

2.1 控制方程

假設氣液兩相流動的氣體為離散的泡狀流流體，連續性方程和動量方程根據伯努利方程[11]推導如式(1)(2)所示。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：

k——相(l為液相，g為氣相)；

ρk——k相的動力粘度,Pa·s；

wk——k相的相對速度,m/s；

Mk——k相所受的相間作用力,N；

fk——與葉輪旋轉有關的質量力,N。

2.2 幾何模型與網格劃分

1) 幾何模型

本文研究采用的是某新式多級離心泵中的任意連續三級作為分析對象，圖1為3級泵模型示意，包括進、出口直管道、擴壓器、轉輪和導流腔5個部件。混輸泵幾何設計參數見表1，運行設計參數見表2。

圖1 模型泵計算域三維模型示意

表1 混輸泵幾何設計參數

表2 混輸泵運行設計參數

2) 網格劃分

傳統的數值計算網格劃分分為結構化和非結構化。本文中因需要考慮流體和邊壁接觸的邊界流態，故選用結構化網格，著重優化邊界網格。網格劃分示意見圖2。

a 導流腔網格 b 轉輪網格 c 擴壓器網格

3) 網格無關性驗證

本文網格性驗證，通過對泵各過流部件的網格進行調整，不同網格數對泵性能的影響如圖3所示，最終選定網格最終網格數為503.7萬。

圖3 網格無關性驗證曲線示意

3 外特性分析

3.1 計算條件及邊界條件設置

本文對3級離心式混輸泵在進口含氣率為1%、5%、10%、15%、20%下進行CFX數值計算。對計算條件設置如下[12]：液相為水(ρ=997 kg/m3)，氣相為空氣(ρ=1.185 kg/m3)，其中液相為連續相，氣相為分散相；選用兩相流計算模型為Eulerian-Eulerian非均相流模型，其中液相采用SST k-ω模型，零方程模型；收斂殘差設置為0.000 5。

邊界條件設置：進口邊界條件為總壓進口、給定進口含氣率，出口邊界條件為質量流量出口，壁面條件設置為NO Slip Wall，轉輪和其他部件交界面設置為Frozen Roter模式。

3.2 揚程效率分析

圖4為不同氣體分數下3級泵的外特性折線示意， 從圖4中可以看出，隨著含氣率的增加，揚程和效率均呈現下降趨勢，且揚程和效率均隨著進口氣體含量下降速度加快。但在含氣率從0到1%時，存在含氣率增加揚程和效率增加的現象。泵在運行過程中會產生汽蝕現象，影響水泵運行的效率和揚程，而當進口攜帶少量氣體進入水泵時，當流體經過壓力較小的區域時氣體膨脹，可以減少水泵本身的汽蝕發生[13]。

a 0～20%含氣率的外特性曲線

綜上可得，當泵含有少量氣體運行時，其運行效率反而會提升，這也驗證了水泵可以通過補氣的方法減輕汽蝕。

4 內部流動特性分析

內部流動特性是指水泵在運行過程中的壓力分布、氣相分布情況、速度分布情況以及湍流強度分布情況等特性，以總結水泵氣液兩相的運行規律。

4.1 氣體分布

混輸泵的進口含氣率為1%～20%的氣體分布云圖示意如圖5所示，根據上述不同進口含氣率下轉輪內部的分布圖，可知隨著進口含氣率的增加，轉輪內部氣體占比逐漸增加，當進口含氣率大于10%時，轉輪流道中出現段塞流，且隨著含氣率增加段塞流現象越明顯。氣相分布在不同含氣率下均有一個共同特點：氣體聚集位置從轉輪進口壓力面向出口吸力面發展。同一含氣率下3級泵的不同級數對比，發現第1級泵氣體體積分數占比大于第2級，第2級體積分數大于第3級；這是由于隨著上一級泵的增壓，同樣的氣體被壓縮成更小的體積分數。

圖5 3級泵不同含氣率下0.5倍葉高的氣體分布云示意

4.2 葉片載荷分布

如圖6所示，進口氣體分數越大葉片載荷越小，這是由于隨著氣相含量的增加，氣體分子間隔大，受到壓力壓縮可以抵消部分作用在葉片表面的壓力，載荷減小。

圖6 不同含氣率下各級轉輪葉片壓力載荷分布示意

在第1級泵含氣率為10%、第2級泵含氣率為15%，第3級泵含氣率為20%時，均出現壓力面載荷小于吸力面的狀況，即產生負壓，且出現的位置均在t/T為0.2～0.4的范圍內(如圖5所示)，該處均存在大量氣泡聚集，流道變窄，流速上升、壓力降低而形成負壓。

3級泵都存在t/T接近1的時，載荷出現突變，因為該處為轉輪和導流腔的連接處，流道形狀發生突變，流速發生突變，壓力也發生突變形成負壓情況，這也是在轉輪出口處形成渦流的原因。

4.3 湍動能分布

湍動能在氣液兩相流泵中是表現泵內部流態的形式，是流體流動狀態的體現。計算公式如下：

(3)

本文選用3級泵在進口體積含氣率為5%、10%、20%3個工況下對轉輪流道進行分析，為了更具體表現流道從進口到出口7個截面的湍動能進行分析。兩相流在離心泵流道中的分布較大區域集中在靠近壓力面和上蓋板處，沿著轉輪進口至出口逐漸向吸力面和下蓋板處發展，且在不同進口含氣率時規律相似，因此，本文僅對7個截面湍動能均值進行分析，以反映湍動能在不同泵級的變化情況。

如圖7所示，在不同進口含氣率下，第1級湍動能從進口到出口湍動能逐漸上升，且上升幅度較大；但第2級、第3級的湍動能變化趨勢基本保持一致，僅在數值上略有差別。原因是經過首級泵的運行加壓，第2、3級泵的湍動能變化趨于穩定，流態也較為相似。5%、10%、20% 3種工況下，從截面6至出口截面變化不一，含氣率越小流道出口處變化相對值越大；當含氣率為20%時，出口處折線變化趨勢無明顯差距。因為當含氣率較大時，湍動能值受含氣率的影響大于壓力和流速變化的影響而占據主導地位。

a 截面位置示意

5 結語

本文采用了CFD數值模擬的分析方式，對3級氣液混輸離心泵進行了全流道數值分析得到了結論如下：

1) 3級泵外特性隨著含氣率越大揚程和效率越低，但在含氣率為0到含氣率為1%時，有小幅上升。

2) 當GVF≥10%時，出現明顯地氣液分離現象，并在部分流道形成了斷塞流。

3) 本文中雖有其他文獻作為結果對比參考，但由于試驗條件原因對該泵沒有針對地進行試驗，后續應爭取進一步試驗分析以驗證本次數值計算結果。