基于大渦模擬的輸油泵性能預測及內流場分析

張 興，孫 宇，毛艷虹，王文博

（1.國家管網集團 北方管道公司 管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.國家能源油氣長輸管道技術裝備研發 （試驗）中心，河北 廊坊 065000；3.國家管網集團 北方管道公司有限公司 秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066004；4.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；5.國家管網集團 山東輸油有限公司，山東 日照 276800）

輸油泵是石油化工等行業中重要的動力設備，其性能對整個原油運輸系統有重要影響。隨著石油工業的發展，輸油泵的選型、安全性和節能技術引起了眾多學者的關注［1-3］。 張燕斌等［4］通過試驗測試分析了不同運輸介質下輸油泵的振動情況，最后得出輸送汽油時泵振動幅度比輸送柴油大的結論。Lin W B等［5］探究了在長距離輸油系統中油泵的振動情況，研究結果表明，油泵的振動程度與油品種類相關，輕質油的振動最明顯，相鄰的泵一起運行時振動最劇烈。歐永紅等［6］對輸油泵運行過程中可能會出現的故障進行了分析，并針對故障原因給出了相應的解決對策。魏升龍等［7］通過分析雙吸泵的結構特點，探究了煉油裝置中雙吸泵的安放位置以及注意事項。He Shanghong等［8］以變排量葉片油泵為研究對象，探究了溫度對油泵泄漏量的影響，結果表明溫度越低，泄漏量越小。

近年來，計算流體力學（CFD）技術日益成熟，成為了可以有效預測泵性能和內部流動特性的方法。為探究轉子與泵體的徑向間隙對泵流動特性的影響，代光輝等［9］應用FLUENT軟件對不同間隙的輸油泵進行數值模擬計算，發現泵出口壓力隨著間隙增大而逐漸減小。傅劍輝等［10］采用FLUENT軟件研究了幾個關鍵因素對中開式輸油泵數值計算的影響，經過對比發現，速度進口和自由出流的邊界條件更易收斂。譚東杰等［11］基于FLUENT軟件研究了導葉與葉片數的匹配關系對中開式輸油泵的影響，研究表明，導葉相位角為30°、導葉葉片數為10時輸油泵的效率最高。晁文雄等［12］采用大渦模擬（LES）湍流模型對多工況的燃油離心泵進行數值模擬分析，結果表明燃油離心泵在大流量和高轉速時運行更穩定。宋冬梅等［13］采用ANSYS CFX軟件對雙吸離心泵進行數值模擬，并將預測的計算值與試驗值進行對比，發現模擬結果與試驗結果一致。曾維國等［14］對設計工況下的雙吸油泵進行非定常數值計算，計算結果表明，葉輪與蝸殼的動靜干涉對隔舌斷面附近的渦型影響較大，蝸殼擴散段內的靜壓受葉輪和蝸殼的動靜干涉出現周期性波動變化規律。白利等［15］研究了不同流量工況下雙吸泵的湍流流場，研究結果發現，湍動能在設計工況下最小，渦黏系數的變化與湍動能的變化規律一致。李永樂等［16］對雙吸輸油泵進行了數值模擬，分析了其壓力和速度分布規律，并通過試驗驗證了模擬的準確性。張鳳麗等［17-25］對輸油泵的性能及流動進行了研究分析。

文中以一輸油泵為例，采用ANSYS CFX軟件，對設計工況下該輸油泵的性能和內部流場進行預測分析。

1 輸油泵性能計算模型

輸油泵設計體積流量3 100 m3/h，設計揚程190 m，轉速2 990 r/min，比轉速 140。兩葉輪背靠背對稱布置，葉輪進口直徑250 mm，葉輪出口直徑436 mm，葉輪葉片數為6片，導葉葉片數為10片。通過Pro/E軟件分別對輸油泵全流道計算域的進口延長段、吸水室、葉輪、導葉、蝸殼和出口延長段進行建模，見圖1。

圖1 輸油泵全流道計算域模型

采用ICEM軟件對輸油泵計算域進行網格劃分，主要部件葉輪、導葉和蝸殼的網格劃分見圖2。輸油泵計算域模型總網格數為1.25億，各部件網格信息見表1。

圖2 輸油泵計算域主要部件網格劃分

表1 輸油泵計算域各部件網格信息

2 輸油泵性能計算方案

2.1 湍流模型及控制方程

對輸油泵模型先進行穩態計算，以穩態計算結果為初始值進行瞬態計算。

穩態計算選取k-ω（k為湍動能，ω為比耗散率）湍流模型，瞬態計算選取LES湍流模型，亞格子模型選用WALE。

2.1.1 k-ω湍流模型

k-ω湍流模型描述了基于湍動能k和比耗散率ω的輸運方程，其輸運方程為：

式中，k 為湍動能，m2/s2；ω 為比耗散率，1/s；t為時間，s；xi、xj分別為 i方向、j方向的矢量；ρ為流體密度，kg/m3；ui為速度，m/s；Гk為湍動能擴散系數；Gk、Yk、Sk、Gω、Yω、Sω、Dω為相關產生項及用戶自定義源項。

2.1.2 LES湍流模型

LES湍流模型是一種介于直接數值模擬模型和雷諾平均模擬模型之間的湍流模型，其對瞬態N-S方程進行濾波處理，對于網格尺度大的湍流運動通過N-S方程直接計算，對于小尺度渦則通過模型體現。經濾波處理的控制方程表示如下。

連續方程：

動量方程：

其中

2.2 邊界條件和求解設置

輸油泵計算模型入口處采用壓力進口邊界條件，出口處采用質量流量出口邊界條件，壁面邊界定義為無滑移粗糙壁面，粗糙度為0.25 μm。計算介質為油，其密度為 840 kg/m3、動力黏度為1 340×10-5Pa·s。穩態計算采用高階求解模式，最大迭代步數為2 000，收斂精度為10-6。瞬態計算時間步長2.78×10-4s（即葉輪旋轉1°所用的時間），共計算5個旋轉周期。

3 輸油泵性能計算結果分析

3.1 外特性分析

輸油泵的揚程H、效率η計算公式分別為：

式中，pout為輸油泵出口總壓，pin為輸油泵進口總壓，Pa；g 為重力加速度，m/s2；Δz為進出口高度差，m；qV為當前工況的體積流量，m3/s；M 為作用在葉輪表面的力矩之和，N·m；Ω為葉輪旋轉角速度，rad/s。

經數值模擬計算，該輸油泵計算揚程為205 m，滿足設計相關要求，可見LES可以較好地預測該輸油泵的性能。

輸油泵水力部件效率計算結果見表2。從表2可以看出，吸水室水力損失很小，效率較高，達99.87%。葉輪的效率接近95%，說明吸水室與葉輪的水力模型匹配較理想。導葉的效率較其他部件效率偏低，但仍超過90%，蝸殼效率損失也在正常范圍內。

表2 輸油泵水力部件效率計算結果

3.2 內流場分析

3.2.1 y+分布

y+表示量綱一壁面距離，直接影響第一層網格節點位置。在CFD計算中，LES對壁面網格要求較高，第一層網格節點在壁面的黏性底層，即要求y+＜1。

輸油泵葉輪葉片y+分布見圖3。由圖3可知，葉輪葉片壁面的y+均小于1，滿足要求。

圖3 輸油泵葉輪葉片y+分布

3.2.2 壓力分布

設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵全流道中間截面壓力分布情況見圖4，葉輪和導葉中間截面壓力分布見圖5。

圖4 設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵全流道中間截面壓力分布

從圖4看出，2種湍流模型計算得到的壓力分布趨勢相同，均為進口處壓力低，出口處壓力高。

分析圖5可以發現，由于葉輪旋轉做功，葉輪流道內液體壓力沿著徑向逐漸增高，變化梯度平穩，在葉輪與導葉交匯處達到最大值。隨著導葉流道的過流面積逐漸增大，動能轉化為壓能，壓力在導葉流道內進一步升高，因此導葉出口邊壓力高于進口邊壓力。壓力梯度變化最大出現在葉輪與導葉交匯處，預示此處損失嚴重。對比圖5a、圖5b可知，相較于k-ω湍流模型，LES湍流模型計算得到的從葉輪到導葉的壓力變化梯度更明顯。

3.2.3 速度分布

設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵全流道流線圖見圖6。

圖5 設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵葉輪和導葉中間截面壓力分布

圖6 設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵全流道流線圖

由圖6可以看出，全流道進口段流線平穩，出口段流線較紊亂，LES湍流模型計算得到的出口段紊亂程度比k-ω湍流模型的嚴重。

設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵全流道中間截面相對速度分布見圖7。從圖7a可以發現，采用k-ω湍流模型計算得到的葉輪、導葉、蝸殼附近相對速度變化較均勻。而圖7b顯示，在葉輪、導葉和蝸殼附近出現許多小渦，可見采用LES湍流模型計算能更真實地反映輸油泵內部的流動情況。

圖7 設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵全流道中間截面相對速度分布

為進一步了解葉輪和導葉內部的流動情況，給出了設計工況下不同湍流模型計算得到的葉輪和導葉中間截面的相對速度分布，見圖8。從圖8可以看出，葉輪內相對速度比導葉的大，葉輪葉片出口處的相對速度大于葉片進口處的，LES湍流模型計算得到的相對速度分布更清晰。

圖8 設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵葉輪和導葉中間截面相對速度分布

從圖9所示的導葉葉片絕對速度流線局部放大圖也可以看出，LES湍流模型能較好地反映出分離流動，導葉流道內漩渦主要由葉片前緣誘導產生，并沿著導葉流道向下游延伸和發展。

圖9 設計工況下不同湍流模型計算得到的輸油泵導葉葉片絕對速度流線局部放大圖

4 結語

采用ANSYS CFX軟件，分別應用k-ω湍流模型和LES湍流模型對設計工況下的輸油泵進行性能預測和內部流場分析，分析結果表明，①采用LES湍流模型模擬計算得到的輸油泵揚程符合設計要求，各部件水力效率較高。因此采用CFD技術進行泵的性能預測以及優化設計具有一定的參考意義。②輸油泵葉輪進口處壓力低，導葉出口處壓力高。通過LES湍流模型計算得到的葉輪內低壓區范圍更大，葉輪出口處到導葉進口處的壓力過渡更均勻。③在葉輪和蝸殼處，應用LES湍流模型得到的內部流動情況比k-ω湍流模型的更符合實際。采用LES湍流模型計算可以明顯看到葉輪葉片出口處形成的速度渦。