史廣泰，劉宗庫*，王彬鑫

(1. 西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039； 2. 西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

隨著全球油氣開發(fā)由陸上向深海轉(zhuǎn)移，多相混輸泵的研究逐漸引起人們的關(guān)注[1-2].目前多相混輸泵主要有葉片式和容積式2種泵型，其中螺旋軸流式多相混輸泵因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為葉片式泵中的代表[3-4].

葉片式混輸泵具有旋轉(zhuǎn)的葉輪結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了避免葉頂與葉輪室之間的摩擦，需要留出一定的間隙，即為葉頂間隙.流體在壓差作用下形成葉頂泄漏流，并且進(jìn)一步演變?yōu)槿~頂泄漏渦[5-6].葉頂泄漏流和泄漏渦對(duì)泵性能影響較大，如降低揚(yáng)程和效率，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)從而可能誘發(fā)安全事故[7-8].

基于上述問題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)葉頂間隙展開了研究.在混輸泵方面，ZHANG等[9]基于數(shù)值模擬方法研究了葉頂間隙對(duì)多相混輸泵流動(dòng)特性的影響，并指出隨著葉頂間隙的增加，葉輪內(nèi)泄漏流與泄漏渦卷吸作用增強(qiáng).SHI等[10-11]利用ANSYS CFX軟件研究了混輸泵內(nèi)葉頂泄漏渦運(yùn)行軌跡和動(dòng)力學(xué)特征，同時(shí)也揭示了含氣率對(duì)葉頂泄漏渦的影響.在軸流泵方面，張德勝等[12]基于大渦模擬方法探究了軸流泵內(nèi)葉頂泄漏渦的瞬態(tài)特性，同時(shí)也分析了間隙內(nèi)壓差與泄漏速度的關(guān)聯(lián)特性.施衛(wèi)東等[13]基于SSTk-ω湍流模型，對(duì)軸流泵全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙的增加，渦核起點(diǎn)沿著葉片骨線從前緣向后緣移動(dòng)，并且渦核壓力逐漸降低.韓吉昂等[14]采用Mixture多相流模型研究葉頂間隙對(duì)泵空化的影響，發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙逐漸增加，葉片吸力面空化面積逐漸增大.在混流泵方面，張文武等[15]采用ANSYS CFX軟件對(duì)一臺(tái)比轉(zhuǎn)數(shù)為149的混輸泵進(jìn)行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)在大流量時(shí)葉頂間隙對(duì)泵性能的影響更明顯，并且隨著葉頂間隙的增加，泄漏流與主流卷吸作用也更嚴(yán)重.葉頂間隙流動(dòng)的研究除了在泵中展開外，許多學(xué)者在風(fēng)機(jī)、泵作透平、水輪機(jī)等其他葉輪機(jī)械中也做了大量卓有成效的工作.

綜上所述，有關(guān)葉頂間隙的研究大都集中在單介質(zhì)流體機(jī)械中，而對(duì)于兩相介質(zhì)的研究還不充分，且有待進(jìn)一步探究.與此同時(shí)，在深海油氣開發(fā)過程中，不可避免會(huì)涉及兩相，甚至是多相介質(zhì)，其中兩相又是研究多相的一個(gè)前提和基礎(chǔ).因此開展兩相介質(zhì)下的葉頂間隙流動(dòng)具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)性.文中在進(jìn)口含氣率為10%條件下，研究葉頂間隙對(duì)多相混輸泵內(nèi)流動(dòng)特性的影響，進(jìn)而揭示兩相流動(dòng)規(guī)律，為泵的性能改善以及后續(xù)的多相研究提供依據(jù).

1 數(shù)值模型

本次研究對(duì)象為六級(jí)多相混輸泵的單個(gè)增壓?jiǎn)卧?，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)流量Q=100 m3/h，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，葉輪和導(dǎo)葉片數(shù)分別為3和7，具體模型見圖1.葉輪葉片包角181°，導(dǎo)葉包角40°，其他參數(shù)如圖2所示.在數(shù)值計(jì)算中為了讓流動(dòng)更加充分，在葉輪進(jìn)口和導(dǎo)葉出口進(jìn)行適當(dāng)延長(zhǎng).

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

圖2 葉輪和導(dǎo)葉參數(shù)

2 網(wǎng)格劃分與求解設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的重要步驟，在本次模擬過程中，整個(gè)計(jì)算域均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化網(wǎng)格.進(jìn)口和出口延長(zhǎng)段在ICEM中進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，而葉輪和導(dǎo)葉在Turbo Grid中劃分網(wǎng)格，并對(duì)間隙處網(wǎng)格進(jìn)行加密，進(jìn)而準(zhǔn)確捕捉流動(dòng).經(jīng)過檢驗(yàn)，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求，最終網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 局部網(wǎng)格

2.2 數(shù)值求解設(shè)置

采用ANSYS CFX軟件對(duì)混輸泵內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解，其中湍流模型采用SSTk-ω，而多相流模型則為歐拉-歐拉雙流體模型.水相和氣相分別設(shè)置為連續(xù)相和離散相，泵轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，進(jìn)口為速度進(jìn)口，出口壓力為0.608 MPa.動(dòng)靜交接面之間采用“Frozen Rotor”，并且收斂殘差為10-6.

3 結(jié)果分析

3.1 多相混輸泵外特性分析

圖4為含氣率10%時(shí)混輸泵特性曲線,Rtc為葉頂間隙.由圖4a可知，在不同的葉頂間隙下，隨著流量的增加，揚(yáng)程總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且葉頂間隙對(duì)揚(yáng)程的影響較大.由圖4b可知，當(dāng)無葉頂間隙時(shí)，混輸泵的最高效率點(diǎn)效率為70%左右；而葉頂間隙為0.5 mm時(shí)，效率則降低至57%左右；當(dāng)葉頂間隙進(jìn)一步增加至1.5 mm時(shí)，最高效率點(diǎn)效率僅在39%左右，由此可見，葉頂間隙雖小，但是對(duì)混輸泵的效率影響卻較大.綜合圖4可知，為了讓泵高效運(yùn)行，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)葉頂間隙值進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化.

圖4 含氣率10%時(shí)混輸泵外特性

3.2 不同流量下混輸泵內(nèi)流態(tài)分布

圖5為不同流量下含氣率為10%時(shí)混輸泵0.5倍葉高處流線分布,其中，vl為液相速度.由圖可知，葉輪內(nèi)的流態(tài)較導(dǎo)葉要穩(wěn)定一些，并且在小流量下導(dǎo)葉內(nèi)出現(xiàn)了大量的旋渦，這是由于流量較小，導(dǎo)葉對(duì)流體的約束能力較差，整流效果較弱造成的.隨著流量的增加，導(dǎo)葉的整流作用增強(qiáng)，導(dǎo)葉內(nèi)的旋渦逐漸減少.在葉輪內(nèi)，當(dāng)無葉頂間隙時(shí)，在1.0Q時(shí)，葉輪內(nèi)流態(tài)較穩(wěn)定，而在0.8Q和1.2Q時(shí)，在葉輪進(jìn)口壓力面附近均出現(xiàn)了少量旋渦.當(dāng)葉輪內(nèi)存在葉頂間隙時(shí)，在1.2Q時(shí)，葉輪內(nèi)流態(tài)受葉頂間隙的影響并不明顯，而隨著流量的減小，葉輪內(nèi)流態(tài)受到葉頂間隙的影響越來越明顯，尤其是在葉片壓力面附近，也即葉頂間隙越大，葉片壓力面附近流動(dòng)分離越明顯.

圖5 不同流量下含氣率為10%時(shí)混輸泵0.5倍葉高處流線分布

3.3 葉頂間隙對(duì)增壓?jiǎn)卧獌?nèi)壓力分布的影響

引入量綱一參數(shù)r*，代表葉輪和導(dǎo)葉輪轂到葉輪(導(dǎo)葉)室位置，輪轂附近為0，葉輪(導(dǎo)葉)室附近為1.圖6為入口含氣率IGVF為10%時(shí)泵內(nèi)周向壓力分布.由圖可知，隨著葉頂間隙的增加，葉輪葉片進(jìn)口附近低壓區(qū)占比明顯減少，并且在輪緣附近增壓?jiǎn)卧獌?nèi)高壓區(qū)占比也明顯比r*=0.5和輪轂附近大一些.另外發(fā)現(xiàn)，在葉頂附近，當(dāng)存在葉頂間隙時(shí)，葉片壓力面附近壓力等值線出現(xiàn)偏折現(xiàn)象，且隨著葉頂間隙的增加，偏折加劇，這是由于葉頂區(qū)葉頂泄漏渦的影響.與此同時(shí)，在靠近輪轂附近，由于葉頂泄漏渦的影響逐漸減弱，所以偏折現(xiàn)象也有所改善.

圖6 含氣率10%時(shí)增壓?jiǎn)卧芟驂毫Ψ植?/p>

圖7為混輸泵增壓?jiǎn)卧獌?nèi)軸向壓力p分布.由圖可知，葉頂間隙對(duì)葉輪內(nèi)壓力的影響比導(dǎo)葉更明顯.這時(shí)葉頂泄漏渦主要在葉輪內(nèi)，而導(dǎo)葉內(nèi)沒有葉頂泄漏渦.與此同時(shí)，由于受葉頂間隙的影響，壓力變化趨勢(shì)也有所不同.當(dāng)葉頂間隙增加時(shí)，泵進(jìn)出口壓差隨之減小，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉壓力沿著軸向略有增加.

圖7 含氣率為10%時(shí)軸向壓力

3.4 葉頂間隙對(duì)增壓?jiǎn)卧獌?nèi)速度分布的影響

圖8為入口含氣率10%時(shí)泵增壓?jiǎn)卧獌?nèi)周向液相速度vl分布.由圖可知，隨著葉頂間隙的增加，在r*為0.1和0.5時(shí)，葉輪流道內(nèi)高速區(qū)面積逐漸增加，并且導(dǎo)葉內(nèi)低速區(qū)位置沿著流動(dòng)方向逐漸后移.而當(dāng)r*=0.9時(shí)，葉輪葉片吸力面高速區(qū)逐漸向葉片后緣移動(dòng)，并且導(dǎo)葉內(nèi)低速區(qū)占比與r*=0.1和r*=0.5時(shí)相比明顯較小.

圖8 含氣率10%時(shí)增壓?jiǎn)卧芟蛞合嗨俣?/p>

3.5 增壓?jiǎn)卧獌?nèi)氣相分布

圖9為入口含氣率10%時(shí)泵增壓?jiǎn)卧游缑鎯?nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)φ分布.由圖可知，相比葉頂間隙工況而言，無葉頂間隙時(shí)，氣相在葉輪和導(dǎo)葉輪轂出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象.葉輪內(nèi)氣相聚集是由于液體的排擠作用造成的.當(dāng)存在葉頂間隙時(shí)，葉輪輪轂氣相聚集得到了改善，并在葉輪處進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)較低.導(dǎo)葉輪轂氣相體積分?jǐn)?shù)隨著葉頂間隙增加出現(xiàn)先增加、后減弱隨后再次增加的現(xiàn)象，同時(shí)氣相聚集點(diǎn)向下游轉(zhuǎn)移.可見，葉頂間隙的存在可以有效阻止葉輪內(nèi)出現(xiàn)氣體聚集，同時(shí)還可以降低導(dǎo)葉內(nèi)氣體的聚集程度.

圖9 含氣率10%時(shí)子午面氣相分布

圖10為入口含氣率10%時(shí)增壓?jiǎn)卧獌?nèi)軸向氣體分布.由圖可知，不存在葉頂間隙時(shí)，葉輪內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)在軸向0.25位置達(dá)到最大值，大約為19%.隨著葉頂間隙的不斷增加，葉輪進(jìn)口到出口氣相體積總體上呈增加趨勢(shì)，但是只在10%附近波動(dòng).導(dǎo)葉內(nèi)氣相分布出現(xiàn)拋物線狀分布，并在導(dǎo)葉中部出現(xiàn)最大值.此外，在同一葉頂間隙下，導(dǎo)葉內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)峰值大于葉輪內(nèi)的氣相體積分?jǐn)?shù)峰值.

圖10 含氣率10%時(shí)軸向氣相分布

為了進(jìn)一步分析不同葉頂間隙時(shí)葉頂間隙內(nèi)氣液兩相流態(tài)特性，特在葉輪葉片靠近后緣葉頂處做一截面，如圖11所示，同時(shí)圖12和13分別為葉頂間隙內(nèi)流態(tài)和氣相分布.

圖11 葉頂間隙

圖12 葉頂間隙內(nèi)流場(chǎng)

由圖12可知，在葉片壓力面和吸力面壓差作用下，葉頂泄漏流從葉片壓力面流向葉片吸力面，并且在剛進(jìn)入葉頂時(shí)形成了葉頂分離渦，結(jié)合圖13發(fā)現(xiàn)，在葉頂分離渦位置處出現(xiàn)了氣相聚集現(xiàn)象.隨著葉頂間隙的增加，在靠近葉頂附近出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，并且隨著葉頂間隙的增加，邊界層分離現(xiàn)象更加明顯.與此同時(shí)發(fā)現(xiàn)邊界層分離位置處出現(xiàn)了氣相的聚集現(xiàn)象，且邊界層分離越明顯的位置，氣相聚集現(xiàn)象也越嚴(yán)重.結(jié)合圖9可知，增加葉頂間隙雖然可以降低葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)的氣體聚集程度，但會(huì)導(dǎo)致葉頂間隙的氣體聚集程度增加，因此，葉頂間隙不能太大，也不能太小.

圖13 葉頂間隙內(nèi)氣相分布

4 結(jié) 論

在進(jìn)口含氣率為10%條件下研究了葉頂間隙對(duì)多相混輸泵性能的影響規(guī)律，得到了以下主要結(jié)論：

1) 隨著葉頂間隙的增加，葉輪葉片進(jìn)口附近低壓區(qū)占比明顯減小，并且葉輪進(jìn)出口壓差也逐漸減小.同時(shí)葉頂附近壓力等值線出現(xiàn)偏折，并且隨著葉頂間隙的逐漸增加，偏折加劇.

2) 在無葉頂間隙時(shí)，氣相在葉輪和導(dǎo)葉輪轂出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，并且在導(dǎo)葉輪轂聚集現(xiàn)象比較嚴(yán)重.葉頂間隙的存在讓葉輪輪轂的氣相聚集現(xiàn)象得到了明顯改善.

3) 不同葉頂間隙時(shí)，導(dǎo)葉內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)拋物線狀分布，并且峰值在導(dǎo)葉中部附近.此外隨著葉頂間隙的增加，氣相在葉頂間隙內(nèi)靠近葉頂處的聚集現(xiàn)象更加明顯，與此同時(shí)，導(dǎo)葉輪轂氣相聚集位置沿著流動(dòng)方向向下游移動(dòng).