多相增壓泵氣液兩相流計算分析及試驗研究

尚 勇，曾永忠

(1. 四川省自貢工業泵有限責任公司,四川 自貢 643031;2. 西華大學 能源與動力工程學院，成都 610039)

多相混輸技術作為陸地及深海油氣開采工程項目的關鍵技術，其關鍵設備是多相增壓泵。目前，國內、外應用較多的多相增壓泵主要有螺旋軸流式及雙螺桿式2種結構形式。

目前，以雙螺桿多相泵為代表的德國Bornemann公司，以螺旋軸流多相泵為代表的挪威Framo公司、法國Sulzer公司及Leistritz等公司幾乎壟斷國內水下多相增壓泵市場[1]。

中國石油大學等科研院校對增壓泵的單元設備開發進行了系列前期調研。中國石油大學(北京)通過河南石油機械廠開展校企合作、協同研發，建立了螺旋軸流式多相泵試驗臺架[2]。

國內目前尚無專業設計、生產、銷售及售后于一體的水下多相增壓泵研發機構。國內企業更多的是對多相增壓泵的選型、結構探討、現狀及發展趨勢進行了論述[3-5]。

多相增壓泵內部流動極為復雜，很難對內流場進行觀察及研究。目前常用試驗方法對增旋機械內部流動特性進行研究，但試驗所需設備種類多、專業性強、精度高、成本耗費高、試驗周期長、不確定因素多。伴隨大數據、云計算及計算機存儲技術的快速發展，國、內外諸多機構及科研院所廣泛應用CFD計算方法研究輸送流體的旋轉機械內部流動及性能分析，對流體機械內部流動特性進行模擬及分析的方法日益普及[6-7]。

本文針對自主設計的增壓泵過流轉子的結構單元，借助CFD軟件，采用標準k-ε模型與N-S方程對增壓泵三維內流場進行數值模擬計算分析，對增壓泵的水力性能進行模擬計算及測試對比驗證；探尋增壓泵流道、過流部件的速度、壓力、氣體體積分數及密度等分布規律。

1 計算模型及網格劃分

1.1 幾何模型及流道網格劃分

構建3D模型，并將計算域模型導入G-TURBO軟件，并生成結構化網格，如圖1～2所示。

圖1 增壓泵均化器、葉輪、導葉三維模型及結構

圖2 增壓泵均化器、葉輪、導葉及流體域剖面網格

1.2 標準k-ε湍流模型

標準k-ε模型由連續性方程、動量方程、湍動能k方程及湍動能耗散ε方程構成，可用通用形式表示該方程組[8]：

(1)

式中：Sφ為源項；Γφ為廣義擴散系數；φ為通用變量。φ、Γφ、Sφ表達形式如表1所示。

表1 通用控制方程內各符號形式構成

1.3 增壓泵設計性能參數及邊界條件設置

增壓泵輸送清水性能參數如表2所示。

表2 增壓泵清水性能參數

進、出水邊界條件：

1) 進水。假設葉輪進水無旋流動、壓力均勻分布，由質量守恒定律計算得到進水軸向速度。

2) 出水。出水口界條件設置為標準大氣壓。

多相流模型及數值計算參數：

1) 多相流模型。采用Eulerian模型計算求解。

2) 氣體密度。ρ=1.209 kg/m3。

3) 氣體體積分數。V=30%。

4) 氣體直徑。D=1.00 mm。

2 結果及分析

2.1 增壓泵輸送清水工況水力計算及測試結果

2.1.1 清水工況數值計算

借助FLUENT軟件，分析增壓泵的進口流量分別為0.7Qopt、0.8Qopt、0.9Qopt、1.0Qopt、1.1Qopt、1.2Qopt、1.3Qopt時的水力性能。

計算收斂準則：

1) 殘差計算收斂精度1×10-5，性能參數(如推進輪軸向力，葉片扭距等)隨計算迭代步數增加呈脈動分布。

2) 若預測計算結果存在大分離狀態，則各性能設置參數只需呈周期脈動變化，即可視計算結果滿足預期要求。

2.1.2 清水工況測試試驗

在B級精度水泵測試臺架上進行增壓泵的水力性能測試，管路布置如圖3所示。

圖3 泵測試臺架管路布置

2.1.3 數值計算及試驗結果分析

在不同進水流量下，增壓泵性能試驗與計算特性曲線如圖4～5所示。

圖4 不同工況時增壓泵Q-H模擬與試驗曲線

圖5 不同工況時增壓泵Q-η模擬與試驗曲線

由圖4～5分析知：

1) 數值計算結果是在系列假設前提下得到的，例如壁面光滑、未考慮進口預旋等。因此，計算的η和H略高于測試結果。

2) 增壓泵含氣率為0時，設計參數條件下，η和H試驗數據與計算數據相對誤差在5%以內；在小流量工況和大流量工況下，相對誤差在8%以內。在一定流量范圍內，數值模擬能夠比較準確地反映旋轉機械內部的復雜三維流動，可對推進輪水力性能進行有效預測。

3) 增壓泵輸送含氣率為0及30%的氣液兩相流的數值計算結果對比表明：氣體含量對增壓泵性能影響較大，增壓泵含氣率為30%時，揚程較輸送純液流約低38%，效率約低52%。

2.2 增壓泵輸送含氣率30%氣液兩相流時計算結果

2.2.1 增壓泵剖面速度分布及速度矢量圖

圖6是增壓泵剖面速度分布及速度矢量圖。

1) 速度分布圖。增壓泵進、出水段及均化器流道內速度均勻；由于葉輪的增壓作用，葉輪及導葉內速度相對較高，流速較快；流道內同一位置，氣體與液體流速接近，無顯著差異。

2) 速度矢量圖。流經均化器的氣液兩相流流動狀態一致；葉輪及導葉交互處出現較大“渦流”，對流動液流產生阻礙大，造成能量損失。

2.2.2 增壓泵剖面氣液體積分數及壓力分布

圖7是增壓泵剖面氣液體積分數分布及壓力分布圖。

由圖7可以得到：

1) 增壓泵剖面氣、液及氣液混合體積分數分布表明：均化器上部進水段位置氣體體積分數較大，接近50%，而該處密度為液體密度1/2；經均化器分流、混合作用，經均化器底部流出的氣液流混合均勻，在葉輪進口處無明顯氣液分離現象。

2) 增壓泵剖面壓力分布表明：增壓泵進口至出口的兩相流壓力逐漸增大，均化器及葉輪過渡處壓力最低；，易造成進口氣蝕或喘振現象。

圖7 增壓泵剖面氣液體積分數分布及壓力分布圖

2.2.3 葉輪及導葉表面密度、壓力及氣液體積分數分布

圖8是葉輪及導葉表面密度、壓力及氣、液體積分數分布圖，可以得到：

1) 增壓泵葉片表面壓力分布。首級葉輪進口至末級葉輪出口，壓力逐漸增大。首級葉輪及其導葉表面壓力較低，存在負壓區，葉輪存在氣蝕可能性；末級級葉輪及其導葉表面壓力較高，無負壓區域出現。

2) 增壓泵葉片表面密度及氣、液體積分數分布。增壓泵首級葉輪葉片旋轉中心的工作面表面氣體體積分數最大，次級葉輪工作面表面氣體體積分數降低；增壓泵各級導葉葉片工作面表面氣體體積分數相對均勻。首級導葉葉片靠近進水邊的工作面附近的氣體體積分數較高，次級導葉葉片靠近葉片旋轉中心的工作面區域氣體體積分數較高。

圖8 葉輪及導葉表面密度、壓力及氣、液體積分數分布圖

3 結論

1) 針對增壓泵內部復雜三維流動的水力性能進行預測的數值模擬分析適用于工程實際應用。

2) 兩相流氣體含量對增壓泵性能影響大，增壓泵含氣率為30%時，揚程較輸送純液流時約低38%，效率約低52%。

3) 氣液兩相流數值計算模擬表明：增壓泵進、出口及均化器內部流速分布均勻；均化器上側氣體體積分數較下側多；增壓泵底部氣液混合密度較上部大；均化器及葉輪過渡處壓力最低。

4) 增壓泵首級葉輪葉片旋轉中心的工作面表面氣體體積分數最大，次級葉輪工作面表面氣體體積分數降低；增壓泵各級導葉葉片工作面表面氣體體積分數相對均勻，首級導葉葉片靠近進水邊的工作面附近的氣體體積分數較高，次級導葉葉片靠近葉片旋轉中心的工作面區域氣體體積分數較高。