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

0 引言

多相流混輸技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的氣液分離運(yùn)輸技術(shù)，能提高油氣田的產(chǎn)量，縮短油田生產(chǎn)周期，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。多相混輸泵是混輸技術(shù)的核心裝備之一，其中螺旋軸流式多相混輸泵由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，在存在一定固體顆粒的情況下其性能較好而具有較大發(fā)展?jié)摿1]。

由于該泵種在進(jìn)行多相輸送時(shí)會(huì)發(fā)生氣液分離現(xiàn)象，性能不能滿足實(shí)際工程的需要，因此需對(duì)該泵種進(jìn)行更多的探索。很多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和理論的方法研究混輸泵混輸特性。張金亞等[2-3]通過高速化攝影技術(shù)對(duì)泵內(nèi)的流動(dòng)模式進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)口含氣率的增加，葉輪內(nèi)分別出現(xiàn)了孤立的氣泡流、泡狀流、氣囊狀流及乳化狀流；Li等[4]通過氣體密度方程計(jì)算了氣泡大小在泵內(nèi)變化情況，發(fā)現(xiàn)在含氣率高的時(shí)候，氣泡之間距離變小使氣泡碰撞幾率增加，導(dǎo)致氣泡尺寸增加；Liu等[5]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在混輸泵內(nèi)主要有葉輪和導(dǎo)葉中的前緣渦、葉頂間隙泄漏渦、葉輪內(nèi)的分離渦4種渦結(jié)構(gòu)；張文武等[6]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉內(nèi)的氣體在設(shè)計(jì)流量時(shí)聚集程度最大。史廣泰等[7，8]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著混輸泵進(jìn)口含氣率的增加，泵內(nèi)湍動(dòng)能耗散增加，葉片做功能力減弱；Zhang等[9]和 Liu 等[10]通過對(duì)混輸泵內(nèi)相間作用力比較分析，發(fā)現(xiàn)相間作用力主要是阻力，而升力、虛擬質(zhì)量力、湍動(dòng)能耗散力相對(duì)較小。

除了對(duì)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的探索，很多學(xué)者通過數(shù)學(xué)方法對(duì)混輸泵進(jìn)行優(yōu)化。Kim等[11-12]、Liu等[13]和 Zhang等[14]通過響應(yīng)曲面法和正交優(yōu)化法，對(duì)動(dòng)、靜葉輪進(jìn)出口安放角等重要參數(shù)的調(diào)整，使混輸泵混輸性能提升。還有很多研究人員通過改變動(dòng)、靜葉輪外型來提高泵的運(yùn)輸性能：Shi等[15]對(duì)動(dòng)葉輪葉片中間進(jìn)行切斷，發(fā)現(xiàn)葉片間的斷口能有效阻止氣體聚集，使動(dòng)葉輪在運(yùn)輸高含氣率混合物時(shí)有較好的性能；Xu等[16]對(duì)混輸泵動(dòng)葉輪的流道中間加短葉片，并對(duì)其進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)帶有短葉片的動(dòng)葉輪在含氣率達(dá)到50%時(shí)依舊有較高的效率，且其高效范圍比原模型更寬廣；馬希金等[17-18]通過改變靜葉輪數(shù)和位置，發(fā)現(xiàn)隨著導(dǎo)葉數(shù)增加，導(dǎo)葉內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值降低，短導(dǎo)葉位置對(duì)泵性能影響較大。

輪轂比是軸流式混輸泵很重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然而混輸泵輪轂比變化對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)的影響鮮有文獻(xiàn)可供參考。本文在不同輪轂比下對(duì)多相泵進(jìn)行研究，探討輪轂比變化對(duì)動(dòng)葉輪和靜葉輪內(nèi)流場(chǎng)的影響，為軸流式多相混輸泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造提供參考依據(jù)。

1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

為了完成本次研究?jī)?nèi)容，選用螺旋軸流式多相混輸泵的一個(gè)壓縮級(jí)單元為研究對(duì)象。其主要結(jié)構(gòu)由一個(gè)動(dòng)葉輪和一個(gè)靜葉輪組成，為了使動(dòng)葉輪和靜葉輪內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定，在動(dòng)葉輪前加進(jìn)口延長(zhǎng)段，靜葉輪后加出口延長(zhǎng)段。其流體域結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型設(shè)計(jì)參數(shù)分別為Q=100 m3/h，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，動(dòng)葉輪葉片數(shù)為3，動(dòng)葉輪葉片數(shù)為7，輪轂比=0.7=I。（取輪轂比=葉輪進(jìn)口輪轂直徑/葉輪進(jìn)口輪緣直徑=I，為方便敘述，下文I皆代表輪轂比），在原模型基礎(chǔ)上再選3種輪轂比進(jìn)行比較分析。不同輪轂比詳細(xì)參數(shù)見表1。為保證輪轂比是單一變量，在改變輪轂比時(shí)，動(dòng)葉輪半錐角和動(dòng)葉輪進(jìn)出口安放角等參數(shù)保持不變，靜葉輪修改方式和動(dòng)葉輪相同。

圖1 流體域計(jì)算模型

表1 不同輪轂比 mm

1.2 計(jì)算域網(wǎng)格

軸流式多相混輸泵的模型計(jì)算域網(wǎng)格共分為4部分劃分。其中進(jìn)、出口延長(zhǎng)段用ICEM完成，動(dòng)葉輪和靜葉輪區(qū)域用TurboGird完成?？紤]到計(jì)算資源的使用和計(jì)算求解精度。在純水條件下先對(duì)原模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)進(jìn)口延長(zhǎng)段網(wǎng)格數(shù)為235 000、葉輪網(wǎng)格數(shù)874 000、導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)640 000、出口延長(zhǎng)段網(wǎng)格數(shù)420 000時(shí)，混輸泵的水力效率和揚(yáng)程能夠基本保持不變，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為220萬，其中輪轂比為0.7時(shí)動(dòng)葉輪和靜葉輪網(wǎng)格分布見圖2。為了保證不同輪轂比模型計(jì)算時(shí)網(wǎng)格的可靠性，保持修改后各模型部件網(wǎng)格數(shù)和原模型基本一致。

圖2 動(dòng)葉輪、靜葉輪網(wǎng)格分布

2 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值計(jì)算方法的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性有著至關(guān)重要的影響。本次三維流體域數(shù)值計(jì)算使用ANSYS軟件中的CFX模塊，模擬介質(zhì)是純水和空氣，根據(jù)文獻(xiàn)的高速攝影試驗(yàn)，在泵入口含氣率較小時(shí)可視液體為連續(xù)相，氣體為離散相[19-24]，采用雙歐拉非均相方程求解兩相之間的作用力。sst k-ω湍動(dòng)能模型結(jié)合了k-ω方程與k-ε方程的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地求連續(xù)相內(nèi)壓力梯度，離散相采用零方程模型。兩相之間的作用力兩相之間的作用力包括阻力、附加質(zhì)量力、升力、湍流耗散力、Basset力、Magus力，與阻力相比其他幾種力相對(duì)太小，故本次計(jì)算只考慮阻力。

進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，在含有氣體的工況時(shí)，默認(rèn)為氣體和液體在進(jìn)口處均勻混合；出口邊界條件為靜壓出口；壁面邊界為無滑移壁面；為了保證靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件之間數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間交界面采用Forzen Rotor模式，靜止部件和靜止部件之間采用General connection連接；計(jì)算收斂精度設(shè)置為10-5，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度求解。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同輪轂比對(duì)單級(jí)壓縮級(jí)外特性的影響

分別在純水、進(jìn)口含氣率IGVF=5%、IGVF=12%、IGVF=19% 4種工況下對(duì)4種模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過計(jì)算得到不同輪轂比下的揚(yáng)程和效率曲線，如圖3所示。

圖3 不同工況的效率、揚(yáng)程曲線

由圖3（a）可知，在純水工況下，隨著輪轂比的增加，該泵的揚(yáng)程逐漸下降，還可以看出在純水時(shí)隨著輪轂比增加揚(yáng)程下降最快。由圖3（b）可知，在純水和IGVF=5%工況下，該泵動(dòng)、靜葉內(nèi)流動(dòng)情況隨輪轂比增大變好，該泵效率隨著輪轂比增大而增大，而在IGVF=12%、IGVF=19%工況下，隨著輪轂比變大，該泵動(dòng)葉內(nèi)流動(dòng)情況變好，但靜葉內(nèi)流動(dòng)情況變差，該泵效率基本保持不變。

3.2 輪轂比對(duì)動(dòng)葉輪內(nèi)流特性的影響

由于在純水和含氣工況下，動(dòng)葉輪內(nèi)流態(tài)變化趨勢(shì)一致，故本文只取流場(chǎng)情況較為復(fù)雜的IGVF=19%進(jìn)行分析。圖4示出IGVF=19%時(shí)，不同輪轂比下動(dòng)葉輪從進(jìn)口到出口的軸面靜壓分布。

圖4 不同輪轂比下葉輪軸面靜壓分布

由圖4可知，在各輪轂比I下流道內(nèi)的壓力從進(jìn)口到出口逐漸增加，在靠近動(dòng)葉輪出口段，壓力從輪轂向輪緣處逐漸增大。隨著輪轂比的增加，動(dòng)葉輪輪轂處壓力大小基本不變，而靠近輪緣處的壓力逐漸減小，輪轂到輪緣的逆壓梯度也逐漸減小。

圖5示出IGVF=19%時(shí)，不同輪轂比下動(dòng)葉輪進(jìn)口到出口的軸面氣相分布。

圖5 不同輪轂比葉輪流道軸面氣相分布

由圖5可知，各工況下氣體分布情況相似，氣體主要向輪轂處聚集，這是因?yàn)樵趧?dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的作用下，使液體和氣體產(chǎn)生向輪緣處的離心力，但由于液體密度比氣體大，氣體被液體擠向輪轂，產(chǎn)生氣液分離。還可以看出隨著輪轂比的增大，氣體向輪轂處聚集趨勢(shì)逐漸減小，氣液混合的均勻度增加。這與輪轂向輪緣的壓力梯度減小有關(guān)。

圖6示出IGVF=19%時(shí)，不同輪轂比下葉輪軸面液相速度云圖。由圖6可知，各輪轂比下液相軸面速度云圖分布相似，液相速度從葉輪進(jìn)口到出口逐漸降低，在輪轂比I=0.7時(shí)，靠近動(dòng)葉輪出口輪轂處和輪緣處液相速度較低，而到了輪轂比I=0.76時(shí)，靠近動(dòng)葉輪出口輪轂處和輪緣處液相速度變大。

圖6 不同輪轂比葉輪軸面液相速度云圖

輪轂處氣相的聚集使氣液兩相在輪轂處相互作用加強(qiáng)，流動(dòng)情況變得復(fù)雜。圖7示出IGVF=19%時(shí)，不同輪轂比下在輪轂面的流線。

如圖7所示，隨著輪轂比的增大，輪轂處流態(tài)明顯好轉(zhuǎn)。當(dāng)氣相在輪轂處聚集變少時(shí)，氣相對(duì)液相的影響減弱。另一方面，隨著輪轂比的增加，流道高度減小使葉片對(duì)流道內(nèi)流體整流效果加強(qiáng)。因此，隨著輪轂比變大，輪轂處流動(dòng)現(xiàn)象變好。可見適當(dāng)?shù)脑黾颖玫妮嗇灡瓤梢愿纳迫~輪氣液兩相的混輸能力。

3.3 輪轂比靜葉輪內(nèi)流特性分析

由于在純水和含氣工況下靜葉輪內(nèi)流動(dòng)情況比葉輪內(nèi)復(fù)雜，因此在純水和IGVF=19%工況時(shí)分別對(duì)導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)情況進(jìn)行分析。圖8示出純水工況下，不同輪轂比的靜葉輪內(nèi)S2流面的流線。在純水工況靜葉輪入口輪轂處都有旋渦出現(xiàn)，旋渦的發(fā)展影響了整個(gè)流道。在輪轂比為0.7時(shí)，受靜葉輪入口旋渦和靜葉輪尾部回流的影響，在尾部輪緣也形成了一個(gè)明顯的旋渦。隨著輪轂比增加，靜葉輪內(nèi)流道高度變小，靜葉輪對(duì)流道內(nèi)流體整流效果增強(qiáng)，靜葉輪入口輪轂處旋渦的形成和發(fā)展受到抑制，靜葉輪內(nèi)流態(tài)明顯變好，靜葉輪尾部輪緣處的旋渦消失。

圖8 不同輪轂比導(dǎo)葉S2流面流線

圖9示出純水工況下，不同輪轂比靜葉輪軸面湍動(dòng)能分布情況。

圖9 不同輪轂比下導(dǎo)葉軸面湍動(dòng)能分布

由圖9可知各輪轂比時(shí)靜葉輪內(nèi)湍動(dòng)能分布情況相似，最大湍動(dòng)能區(qū)域皆出現(xiàn)在靜葉輪尾部靠近輪緣處，說明在純水工況下靜葉輪入口輪轂處的旋渦不是造成最大湍動(dòng)能形成的原因，最大湍動(dòng)能的形成和尾部的旋渦和回流有關(guān)。隨著輪轂比增加，最大湍動(dòng)能逐漸減小，發(fā)生區(qū)域向靜葉輪中部靠近，結(jié)合圖8可知，隨著輪轂比的增大，靜葉輪內(nèi)流態(tài)逐漸變好。這也是純水工況下，隨著輪轂比增加，該泵效率增加的原因之一。

圖10示出IGVF=19%時(shí)，靜葉輪內(nèi)軸面的氣相分布。由圖10可知，各工況下導(dǎo)葉入口輪轂處有著大量氣體聚集，靜葉輪出口處氣液兩相混合度有所改善。隨著輪轂比的增加，靜葉輪入口氣體聚集程度降低，一方面是由于動(dòng)葉輪內(nèi)氣體聚集程度減小，從動(dòng)葉輪出口輪轂處脫落進(jìn)入靜葉輪的氣體減少；另一方面是由于靜葉輪整流效果增強(qiáng)。

圖10 不同輪轂比下靜葉輪內(nèi)軸面的氣相分布

圖11示出IGVF=19%時(shí)，靜葉輪S2流面流線分布情況。

圖11 不同輪轂比下靜葉輪S2流面流線分布

由圖11可知，各工況下靜葉輪入口輪轂處和靜葉輪出口輪緣處都有一個(gè)旋渦。隨著輪轂比的增大，靜葉輪入口輪轂處的旋渦受到抑制，逐漸減小。而靜葉輪尾部輪緣處的旋渦越來越集中，結(jié)合純水工況的圖8、10分析可知，隨著輪轂比的增加，雖然靜葉輪入口輪轂處氣體聚集程度所降低，氣體堵塞流道情況有所減緩，但是也因?yàn)殪o葉輪內(nèi)氣體的發(fā)散受到抑制，加上靜葉輪內(nèi)的流道空間減少，在靜葉輪出口的氣體與回流液體相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)出口輪緣處旋渦的形成。

圖12示出IGVF=19%時(shí)，各輪轂比下靜葉輪軸面湍動(dòng)能分布。

圖12 不同輪轂比下靜葉輪軸面湍動(dòng)能分布

由圖12可知，最大湍動(dòng)能區(qū)域皆在尾部輪轂處。隨著輪轂比增大，最大湍動(dòng)能變大。說明靜葉輪進(jìn)口輪轂處氣體聚集不是造成靜葉輪內(nèi)最大湍動(dòng)能的直接原因。氣體的擴(kuò)散和靜葉輪尾部的旋渦，才是引起氣液混輸下靜葉輪內(nèi)最大湍動(dòng)能形成的直接原因。隨著輪轂比增大，IGVF=19%和純水工況下靜葉輪內(nèi)湍動(dòng)能變化趨勢(shì)完全相反。結(jié)合圖9可知，在混輸泵靜葉輪輪轂比選擇時(shí)，需要結(jié)合純水和含氣率工況綜合分析。

4 結(jié)論

（1）隨著輪轂比的增大，動(dòng)葉輪輪轂向輪緣的逆向壓力梯度變小，氣體在輪轂處聚集程度減弱，輪轂處流速變快、流態(tài)變好。

（2）在純水工況下，隨著輪轂比增大，靜葉輪內(nèi)旋渦變小、回流情況好轉(zhuǎn)；在靜葉輪尾部受旋渦和回流影響而形成的最大湍動(dòng)能區(qū)域，但隨著輪轂比的增加而不斷減小。

（3）在IGVF=19%時(shí)，隨著輪轂比增大，靜葉輪入口輪轂處旋渦和含氣率慢慢變小；出口輪緣處因氣體擴(kuò)散和回流所形成的旋渦慢慢加劇，導(dǎo)致出口輪緣處湍動(dòng)能隨輪轂比增大而逐漸變大。