（流体机械及工程专业论文）多相泵复合式静叶cfd模拟及流场分析.pdf

硕十学付论文 摘要 随着世界石油储量的不断减少，而石油需求的不断增加，世界经济对石油天 然气等基础能源的依赖更加强烈。油气集输以成本较低，开发周期短，油气采用 率高，受到广泛的关注和应用。多相泵作为油田中多相输送的主要动力设备，以 结构简单紧凑，运行稳定，操作方便，适应范围广，越来越受到人们的重视，成为 当前多相输送研究的热点。 复合式静叶的作用是消除液体的环量，转换速度能为压力能。由于此多相泵 为多级泵，应保证出流流体均匀地进入下一级叶轮。同时对于气液两相泵，应尽 量避免在动叶部分产生气液分离，而在静叶中尽量缩减分离，使气液尽可能地混 合。复合式静叶的设计直接影响多相泵中流体的流动稳定性以及该泵的效率，因 此对复合式静叶的研究，进而提高多相泵性能以及提升多相泵设计水平，具有十 分重要的意义。 本文介绍了油气混输泵在油田中的应用，以及其在国内外的研究状况与发展 趋势。结合泵与压缩机的设计理论，设计复合式静叶。采用u g 建立三维实体模 型，利用i c e m c f d 对三维实体模型划分网格。运用f l u e n t6 3 对模型进行计算 模拟，分析模拟结果，做出静叶性能图，确定静叶段性能。分析流场，掌握静叶 段内部流场情况，并针对流场的不足之处，进行修改完善。本次设计通过分析对 比不同翼型在不同含气率时，对静叶及泵性能的影响，选出最适合的翼型；分析 对比等厚度、变厚度叶片，叶片数及复合叶片的性能，得出最适合多相泵的参数 组合，从而有效地减小了静叶流道内漩涡，提高了静叶流道内气液的混合能力， 提高了整机效率。总体而言，多相泵复合式静叶设计优选成效显著，为以后设计 提供有益的资料。 关键词：多相泵；复合式静叶；c f d 模拟；流场分析。 a b s t r a c t a st h ed w i n d l i n go fw o r l do i lr e s e r v e s ，t h er e q u i r e m e n to ft h eo i li si n c r e a s i n g ，t h e w o r l d se c o n o m y r e l a y so no i lg a sa n do t h e rb a s i ce n e r g ys o u r c e sv i o l e n t l y o i l g a s t r a n s p o r t a t i o nh a sl o w e rc o s t ，s h o r t e re x p l o i t a t i o np e r i o d ，a n dm o r e o v e rh i g hu s i n g e f f i c i e n c y ；s oi th a sb e e nf b c u s e da n da p p l i e db yp e o p l ec o m p r e h e n s i v e i y t h eo i l g a sm u l t i p h a s ef l o wp u m pi st h em a i ne q u i p m e n to ft h em u l t i p h a s et f a n s p o r t a t i o n ，s o i tb e c o m e sh o tp l o t c o m p o u n di m m o b i l ei m p e l l e rc a ne l i m i n a t et h en u i dc i r c u l a t i o na n dc h a n g et h e v e l o c i t ye n e r g yi n t op r e s s u r ee n e r g y f o rt h i sm u l t i p h a s ep u m p ，i ts h o u l di n s u r et h e f l u i dg e ti n t ot h en e x ts t a g ee v e n l y m e a n w h i l e ，t ot h em u i t i p h a s ep u m p ，i ts h o u l d a v o i dt h eg a sa n dn u i dd i s s o c i a t i o n t h es t u d yf o rc o m p o u n dj m m o b i l ei m p e l l e ri s v e r yl m p o r t a n tf o ri n c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ed e s i g no ft h em u l t i p h a s e p u m p t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fm u l t i p h a s ep u m pi no i lf i e l d ，a n d t h e p u m p sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt r e n d si nt h ew o r l d t h ec o m p o u n di m m o b i l e i m p e l l e ri sd e s i g n e db yt h et h e o r yo fp u m pa n dc o m p f e s s o r t h i sd e s i g nu s e su g t o b u i l dt h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l ，a n di c e m c f dt op l o tm e s h ，a n dt h em o d e li s s i m u l a t e d ，a n a l y z e da n dd r a w ni m p e l l e rc a p a b i l i t yp i c t u r eb yf l u e n t6 3t 0 c o n f i r mi t st o t a l c a p a b i l i t y b ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i n go fv e l o c i t yo ff l o w p r e s s u f ea n dt o t a lp r e s s u r ei nt h ef l o wf i e l d ，t h ei n t e r i o rf l o wf i e l di ni m p e l l e ri s k n o w na n dr e p a i r e da c c o r d i n gt oi t s s h o r t a g e t h ed e s i g ne l e c t st h em o s ts u i t a b l e a i r f o i lb ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ei n f l u e n c e0 ft h ec o m p o u n di m p e l l e rt 0t h e p u m pi nd i f f e r e n tv o i df t a c t i o n ，a n dd r a w st h em o s ts u i t a b l ep a r a m e t e r sc o m b i n a t i o n o ft h em u l t i p h a s ep u m p ，b ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gt h ec a p a b i l i t yo fe q u a ia n d v a r i a b l et h i c k n e s so fi m p e l i e r t h ei m p e l l e rn u m b e ra n dt h ec o m p o u n di m p e l l e r ， s oe l i m i n a t e st h ev o r t e xo ft h ei m p e l l e r i nf l o wc h a n n e l ，a v o i d st h e g a s f l u i d d i s s o c i a t i o ni nf l o wc h a n n e l ，a n di n c r e a s e st h ew h o l ee f f i c i e n to ft h es e t i ng e n e r a l ， t h eo p t i m i z a t i o no fc o m p o u n di m m o b i l ei m p e l l e rf o rm u l t i p h a s ep u m p i sv a l i da n di t c a na p p l yt h eu s e f u ld a t af o rt h ef u r t h e rs t u d v k e yw o r d s ： m u l t i p h a s ep u m p ，t h ec o m p o u n di m p e l l e r ，c f ds i m u l a t i o n ，f l o wf i e l d a n a l y s i s 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：勺本 日期：沙矽年 月厉日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：碲月厶日 日期：冲年石月日 食 墨印 、屋rlc，、屯毽 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究油气混输泵的意义 随着世界石油储量的不断减少，而石油需求的不断增加，陆上油田、沙漠油 田的开发，特别是海上油田的开发，引起了世界各大石油生产国的重视。通过降 低井口压力、提高集油半径等降低采油成本、提高油田产量的多相混输技术，越 来越受到人们的重视，其主要原因如下【1 1 ： 1 、降低井口回压。采用多相混输泵以后，管道回压一般下降0 5 0 6 m p a ， 个别区块回压下降2 3 m p a 。井口回压降低后，可以增加油气产量，从而有效地 提高油气开发的经济效益。 2 、油气多相混输泵可以将油气混合物直接加压输送至大站或油库，避免了 油气分离和原油传输，大大减少了轻质油的损耗。 3 、降低工程投资及运行费用。实行混输泵增压比传统的油气分输的接转站 工程环节少，可节省投资。多相混输泵取代井下泵为集油系统提供动力，能提高 系统的效率，有利于降低运行费用，减少维护费用。 基于上述原因，油气多相混输技术愈来愈显示出其必要性和重要性。由于油 田输送的介质多数情况下是油、气、水混合物，有时甚至还有有机化合物( 固体) ， 而且液相和气相的含量的变化范围很宽，往往超过常规的泵和压缩机的工作范 围，因此，要求混输设备一混输泵同时兼有泵和压缩机的性能。于是能否研制成 功这种特殊的增压设备成为实现多相混输的关键。 为此，近年来国内外许多研究单位和石油公司都投入了相当的人力和物力对 混输泵进行攻关，并取得了一些研究成果。 目前多相混输泵已经在胜利、河南中原、辽河、吐哈、江苏、大港、塔河、 大庆等油田应用【2 1 。据不完全统计，2 0 0 1 年，胜利油田的临盘、纯梁、东辛、孤 岛等采油厂已经使用约2 0 0 台，中原油田约4 0 台，河南油田约3 0 台，大多数泵的 运行良好。泵的主要类型是单螺杆泵，约占7 0 l3 1 。还有摆动转子泵在胜利油田 的临盘采油厂进行了应用实验，效果比较理想。 1 9 9 4 年在北欧挪威的d r a u g e n 平台，采用螺旋轴流式油气多相泵【4 1 。安装在 距中心平台1 0 k m ，水深2 7 0 m 的油井中，海底油气多相泵的应用，使该油田的油 水总产量从1 9 0 0 立方米天，上升到3 1 0 0 立方米天，提高了6 0 【5 1 。 由上可见，多相混输技术有着广阔的应用前景，而作为其核心技术之一的多 相混输泵的研究开发，具有重要的意义。 多相泵复合式静叶c f d 模拟及流场分析 1 2 国内外研究现状及发展趋势 油气混输泵的研究开发一直是发达国家热门的课题，美国、英国、德国、日 本、俄罗斯、中国等国家投巨资加以研究开发。从8 0 年代开始采用以各大科研机 构、石油公司和设备公司三方合作的方式，投入大量的人力物力，从事多相流技 术的开发与应用；经过多年的努力，多相流技术已经趋于成熟【6 】。国内外现有产 品的状况如图1 1 ，其优缺点如图1 2 。 表1 1 对油气混输泵进行研究的内容及方向 泵的类型主要研究内容方向目的 螺杆泵单螺杆和双螺杆提高混输泵的油气比 螺杆的形状解决发热和抗砂的能力 螺杆的受力、发热和发热引起的密封问题 液环泵结构改造，如采用动壳、多级提高压力 泵结构参数优化提高效率 大直径的密封问题 离心泵结构改造，采用串联叶轮、导叶结构关键是提高混输油气 改进叶轮的结构和形状 比 表1 2 各类混输泵的优缺点 泵的类型优点缺点 螺杆泵压力高( 5 1 0 ) 1 0 5p a混输泵随油气比的增大而减小， 效率高( 2 0 5 0 )油气比范围 2 0 ，螺杆易折，发 排量可较大热大，怕砂，加工精度高，需专 结构简单用机床，价格高 液环泵油气比适用范围大( 1 0 1 0 0 0 ) 不压力低( 3 1 0 5p a ) ，效率低， 怕砂子，价格低( 1 0 2 0 万人民币)排量小( 1 2 0 6 0 0 m 3 h ) 轴流泵排量特别大( 1 5 0 0 m 3 h ) 结构简单油气比范围小( 1 0 ) 效率高，采用多级压力可较高随着油气比增大，泵性能恶化 离心泵压力、排量均可高，结构简单，制气液比范围很小 作方便、成本低、效率高、不怕砂 旋涡泵排量大，压力较普通液环泵高气液比范围小( c ，减小了的动能，克服流动损失，使得静压 力提高。这部分能量能够转换多少与静叶栅的性能有关，当然也与动叶栅的反动 度有关，反动度越大，动叶栅流出的气流具有的动能所占份额就小，在静叶栅中 有可能转换成静压力的能量就小，反之，就大。 q = 詈( c o t 岛+ c o t 反) ；吼c 0 t 成 ( 2 2 0 ) 二 式中，仍一哆“为基元级的流量系数。以上定义的反动度和速度三角形紧密相 连，故称为运动反动度。图2 2 表示了几种典型的反动度的速度三角形，其中 静叶栅出口速度c ，近似取与前级静叶栅出口即动叶进口速度c 1 一样。从图上可 以看出：随着反动度的增加，速度三角形从右向左偏斜。纯冲动级( q o )的 特点是动叶栅的进、出口速度相等，即q = ，只是方向不同，一一 图2 2 ( a ) 。对这种基元级来说，动叶对气体做的功全部转换成动能，为达到所要求 的级压力比，需要静叶栅有最大的扩压度，这就使静叶栅负荷过大而增加损失， 加之进入静叶栅时的速度大，也会使损失增加，故这种级不能采用。以后分析级 的工作情形时还会看到，反动度沿叶高是变化的，一般随半径增加而增加，因此， 如果平均半径基元级反动度选择得不好，就可能使根部基元级出现qto 甚至 q 0 的情形，显然，这是应该避免的。 反动度q l 的级 图2 2 ( c ) 正好和q 一0 的级相反，在静叶栅中气 流仅有方向改变，而无扩压任务，级的全部压升靠在动叶栅中来达到。这样静叶 栅和转子之间可以不需要密封。反动度q 一0 5 的级的速度三角形 图2 2 ( b ) 呈镜面对称，动叶栅和静叶栅负荷均摊。 彳繇 除 m 久- 献 i ，加 f l l j o ： 谚l i 多相泵复合式静叶c f d 模拟及流场分析 一口l n i 一 一 。n c i2c l z 、簟 i w l u i l 图2 2 动静叶配合及速度三角形 从速度大小来看，皑在q = 1 的级最大，c ：在q ；0 的级最大，所以，从控 制临界马赫数来看，这两种级都受到限制，而q = 0 5 的级q = c 。，在c ：、u 和相 同的条件下，q ：0 5 的级无论是动叶还是静叶的马赫数都会比q 一1 级的动叶进 口马赫数和q ；0 的级的静叶栅进口马赫数低。这就是说从限制马赫数条件来看， 采用q ：0 5 的级有潜力，可以提高速度，增大对气体的加功量。 在压缩机中，只要材料可以允许的圆周速度高，为了提高级压比，多采用 q 。0 5 的级。此外，在q ；0 5 的级中动静叶负荷是均摊的，经验证明这种级效 率也比较高。 本次设计结合轴流泵和轴流式压缩机的设计理论，运用轴流泵设计的方法， 充分考虑轴流泵和轴流压缩机设计参数，对静叶段进行设计，而动叶段则采用原 有模型。叶片的造型是整个实体模型建立的难点和重点。一方面，叶片形状复杂， 并存在扭曲；另一方面，叶片是混输泵的核心，与泵扬程、流量、效率等有着重 要关系。利用f l u e n t 自带前处理软件g a m b i t 建模相当困难，且光滑性较差，为 保证模型质量，本文采用专业c a d 软件u g 建模。 水力设计得到的是叶片的多个计算截面的翼型图。每个计算截面一般是以叶 轮旋转轴为中心线、一定半径值的圆柱面。计算截面与叶片表面相交，得到的交 线在平面上展开后，就得到了翼型图。为了获得叶片的三维实体造型，需要将这 些翼型图还原为三维空间曲线，再根据这些空间曲线混合得到叶片的正背面，按 叶轮外直径和叶轮高度及叶轮轮毂形状制作一片体圆柱，再减去叶片部分，得到 叶轮过流区域。 2 1 3 建模 由于该泵为多级泵，如果对所有级进行模拟，计算量将十分庞大，考虑到现 1 2 硕士学位论文 有计算资源的有限性，因此本课题只对单级叶轮内部流场进行模拟计算，这样虽 然对该泵的外特性无法进行准确的预测，但就单个过流部件，尤其是关键部件( 例 如叶轮，吸入室等) 的优化，能对泵整体性能优化有重要的参考价值。 静叶轮三维模型的建立，是个复杂而细致的过程，需要大量的原始数据的准 确输入，以便精确反映设计意图，为进一步的c f d 计算提供精确模型；在u g 中， “样条曲线”命令具有良好的光顺性和灵活性，适合用来绘制空间曲线。样条曲线 可以由d a t 格式的文件得到，这样做可以尽可能的减少手工操作，实现自动化。 因此，将翼型图离散为数量足够多的控制点，然后将点的信息写入到数据文件中， 可以快速的将翼型图还原为三维的特征曲线。 1 、本次所做的模拟，采用原有动叶模型，只对静叶部分进行改动模拟，但 模拟中同样需要对动叶进行建模，且动叶与静叶采用相同的建模方式，因此这里 一并介绍。 将动叶平面叶片转化到三维空间坐标中，如下图2 3 将叶片翼型在水平方向 按、乞、l 戈0 分( 其中= 5 ，乞= 1 0 ，毛= 2 0 ，；毛+ 2 0 0 一3 ) 3 f 厅， 厶= l ) ，对应的将叶片包角妒分成n 分补蚧铷吼识一蛾，( 仍= 伊肛) 。再 由毛= 尺c o s ( 仍) ，y ；= 尺s i n ( 够) 求得叶片截面上分段点对应的坐标值，需注意在计 算中已默认叶片头部前沿点坐标为( r ，0 ，o ) ，而且每个坐标对应有叶片背面和工 作面两个z 值乙。和乞：如图3 3 示； j 弋 孑 皂= = nn 一1i 乓3 2 1 l y i “ 赵厂 薯六 n _ 髟 图2 3 叶片翼型平面图图2 4 柱坐标与x y 平面坐标转化图 2 、将得到的各点坐标写入到d a t 文件中； 3 、把d a t 文件导入u g 中得到截面翼型的三维空间图如图2 5 ，依次连接叶 片各截面的背面线生成叶片的背面，依次连接叶片工作面线生成叶片工作面，如 图2 6 ； 4 、阵列以上做好的叶片； 5 、静叶轮叶片的三维实体化过程重复以上四个步骤，只是阵列的个数不同； 6 、制作叶轮过流区域。首先，由于在u g 中对实体操作难以实现，所以按叶 轮外直径和叶轮高度及叶轮轮毂形状制作一片体圆柱，再减去叶片部分，得到叶 轮过流区域。 7 、最后利用u g 中的缝合命令，生成叶轮的实体模型。叶轮结构如图2 9 示。 图2 9 叶轮成型图 图28 叶片轮毂成型图 硕十学何论文 2 1 4建模中应注意的问题： 本次建模中的难点是叶轮叶片的建模，叶片工作面和背面都是由曲面构成， 而在u g 中要得到叶片曲面，运用扫略命令将曲d a t 文件导入的曲线顺次扫描生 成曲面，而后将叶片工作面与背面在合并便得到完整的叶片面。由于d a t 文件的 各个坐标在计算或者测量的时候，出现偏差，导入后并不能确保准确的空间位置， 而需要对其进行修形。 2 2 网格的划分 2 2 1 网格生成技术 网格生成技术是计算流体力学( c f d ) 的重要组成部分，在目前的c f d 工 作周期中，网格生成所需要的人力时间约占一个计算任务全部人力时间的6 0 左右，并且c f d 计算的精度在很大程度上依赖于所生成的网格的质量。为了易 于较准确的满足边界条件，传统的做法是生成贴体的计算网格。常用的传统三维 网格生成方法大体分为代数生成方法、椭圆微分方程生成方法和双曲微分方程生 成法等三类【2 5 1 。随着外形复杂程度的提高使生成单域贴体计算网格更加困难， 为此，近十多年来发展了不少新的分区结构网格和非结构网格方法。较成熟的结 构网格方法有： 对接网格方法； 重叠网格方法； 它们都属于分区网格生成方法，且与流场的分区计算方法以及并行计算方法 密切相关，并构成这些算法的基础。新一代的分区结构网格生成方法具有与c a d 系统良好的接口，并强调有效的数据结构。 非结构网格是另一种类型的计算网格。它舍去了网格节点的结构性限制，节 点和单元的分布是任意的，因而能较好的处理边界。非结构网格生成方法在其生 成过程中采用一定准则进行优化判定，因而能生成高质量的网格，且很容易控制 网格的大小和节点的密度。一旦在边界上指定网格的分布，在两个边界之间可以 自动生成网格，无需分块或用户干预。因而，近年来非结构网格方法受到高度重 视，有了很大发展。但由于流场计算的效率与精度问题，流场解算器的改造问题 以及非结构网格自身的一些缺陷，使得在目前的应用中还有一定的局限性1 2 引。 ( 1 ) 分区对接网格生成技术 对于复杂多部件的几何外形( 或其他复杂流动的外形) ，生成单域计算网格 是困难地，即使勉强生成，网格质量不能保证，也影响流场数值求解的效果。因 此目前常采用分区网格，即根据外形的特点将流体分成若干个子域，对每个子域 多相泵复合式静叶c f d 模拟及流场分析 分别建立网格。区域分解的基本原则是：各子域的边界简单，便于网格的建立： 各子域大小也尽量相同以实现计算负载的平衡。目前较成熟的构造复杂外形网格 的方法是分区对接网格方法，已积累了较多的经验，计算技术也较成熟。分区对 接网格的生成过程： 根据外形和流动特点分区，并确定每区中的网格拓扑； 生成表面网格； 生成交界面网格； 空间网格生成。 当表面和交界面上网格生成后，各区的边界即已确定，各区内空间网格原则 上可以用代数方法或求解椭圆方程的方法生成。 ( 2 ) 分区重叠网格 分区重叠网格是另外一种形式的分区网格，又称嵌入式分区网格，即在分区 网格中相邻子域的网格具有公共的或重叠的区域。由于不要求各子域共享边界， 大大减轻了各区内自身网格的生成难度。使用插值方法提供各子域间必要信息的 通讯来满足各子域流场解光滑要求的内边界条件，实现重叠区内交界面处各子域 流场解的匹配耦合，从而取得整个流场的解1 2 7 j 。 ( 3 ) 非结构网格 目前比较成熟的构造复杂外形网格的方法是分区的结构网格方法，然而若复 杂外形需要做局部修改或需改变其构型，则需重新划分区域和构造网格而耗费较 多的人力和时间，因此近年来人们逐渐重视研究另一类网格一非结构网格。非结 构网格的基本思想基于如下假设：四面体是三维空间最简单的形状，任何空间区 域都可以被四面体单元所填满，即任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格 所划分【2 8 1 。由于非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元 的大小、形状及网格点的位置，因此比结构网格具有更大的灵活性，对复杂外形 的适应能力非常强。此外，对结构网格，在计算域内网格线和平面都应保持连续， 并正交于物体边界和相邻的网格线和面：而非结构网格则无此限制，这就消除了 网格生成中的一个主要障碍；且其网格中一个点周围的点数和单元数都是不固定 的，可以方便地做自适应计算，合理分布网格的疏密，提高计算精度。正因为有 这一系列的优点，非结构网格技术自2 0 世纪8 0 年代末开始得到迅速的发展。 非结构网格虽然容易适应复杂外形，并具有其它的一些优点，但与结构网格 相比也存在一些缺点，主要有： 非结构网格方法需要较大的内存，因为必须记忆单元节点之间的关联信 息，且在计算过程中必须为梯度项开设存储空间，而且非结构网格不具 备方向性，必须记忆各坐标轴方向的梯度分量，使所需内存大为增加。 在非结构网格中进行流场计算需要更多的c p u 时间，这不仅因为数据 1 6 硕卜学何论文 结构的随机性增加了寻址时间，更主要是网格的非方向性导致梯度项计 算工作量的增大。 结构网格中成熟的流场解算方法尚不能简单的用于非结构网格。 不易应用多重网格技术。 ( 4 ) 自适应笛卡儿网格 笛卡儿网格( 矩形网格) 是c f d 计算中最早使用的，也是最易生成的一种 网格，但其较难处理好物面边界，因为不易较准确地满足边界条件。近年来人们 开始采用自适应笛卡儿网格来计算复杂几何形状地流场，即在原始的均匀笛卡儿 网格的基础上根据物形特点或流场特点在局部区域内不断进行网格细化，实现精 度符合要求、分布又是最合理的一种非均匀的笛卡儿网格。 2 2 2 网格生成软件lc e m c f d 网格生成是数值模拟复杂流动现象的关键问题之一。网格生成的类型、质量， 直接影响到数值和计算精度，甚至影响数值计算的收敛性。对网格系统的要求一 般有如下几点【2 9 j ： 贴体性一网格应与求解区域的边界相适应； 光滑性一在求解域内应保证局部网格上的扭曲和拉伸缓慢； 正交性一物面和外边界附近的网格要正交或近似正交，以保证边界条件 处理的精度； 合理分布行一在流动参量变化剧烈的局部区域加密。同时，网格间距大 小要逐渐过渡。 目前世界上主要的网格划分软件有i c e m c f d ，g r i d g e n ，h y p e r m e s h ， g a m b i t ，p r o a m ，i g g 等。本文选用l c e m c f d 来对流场区域进行网格划分。 它是一款世界著名的c f d 前后处理器，可为所有流行的c f d 软件提供高效可靠 地分析模型。它除了提供其他软件具有的普通前后处理功能外，还具有强大的 c a d 模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术以及网格编辑技术。 i c e m c f d 软件是目前c a e 业内最为同行认可的c f d 前处理网格生成软件，能 制作出高质量的六面体网格、四面体网格或者混合网格。它可以生成： 四面体智能网格一快速生成四面体网格； 三棱柱边界层网格一在四面体网格的基础上快速生成三棱柱边界层网 格( 四面体网格收缩，三棱柱网格“长出”) ； 六面体网格一在复杂结构中构造子块拓扑空间( b l o c k ) ，可以将任 意复杂的形体划分成六面体网格； 四六面体混合网格一在连接处自动生成金字塔网格； 1 7 多相泵复合式静叶c f d 模拟及流场分析 o 型网格一自动生成六面体边界层网格。 i c e m c f d 提供了与其他知名c a d 、c a e 软件众多的接口，它与p r o e 、 c a t i a 、u g 、s o l i dw b r k s 、i d e a s 等知名c a d 软件有直接接口，可以导入常用 的几何模型标准文件格式如p a r as o l i d 、s t e p 、i g e s 、d w g 等；可以按照1 0 0 多个求解器的格式输出网格。i c e m c f d 的网格生成模块有t e t r a 、p r i s m 、 h e x a 、a u t o h e x a 、c a r t 3 d 。 i c e m c f d 网格生成的精华是o 型网格的特殊拓扑构造。对于非常复杂的 几何体，h e x a 模块可以自动的生成内部的或外部的0 型网格以使网格拓扑更 好的适应几何形体确保生成高质量的网格。 各个块的网格质量是由它的各个边上的网格参数来共同决定的。边上的网格 参数包括网格的节点数目，间距变化规律，边起点处的网格长度及扩展比，边终 点处的网格长度及扩展比。 在i c e m c f d 中，“决定数( d e t e r m i n a n t ) 是个很重要的检查参数。“决定 数”是网格单元变形程度的量度，如果所有网格的决定数都大于o 0 5 0 1 ，那么 大多数的求解器都可以顺利进行解算。i c e m c f d 推荐所有的计算网格的决定数 最好大于0 3 f 3 0 1 。显然“决定数”越大，网格的质量就越好，对数值计算的精度、 速度和收敛越有利。 2 2 3 对模型的网格划分 计算网格由i c e m c f d 软件中的h e x a 模块生成。若使计算网格更好的描 述模型的结构特征，尽量做到不失真，必须对模型进行分块划分网格。动叶叶片 及静叶叶片的进出口，这些部位是重点考虑的对象，所以网格一定要加密，而其 余部位的流场网格则不需要这样高的密度，也不允许这样高的网格密度。因为这 样，网格数量将比较巨大，会超出现有的计算机的计算能力。因此，对动叶叶片、 静叶叶片，模型的进出口部分单独分块划分网格。 1 8 短静叶工作面 短静叶背面 圄2 1 0 静叶长叶网格图圈21 1 静叶短叶网格图 黪 图3 1 1 轮毂叶片网格图图3 1 2 划分完网格后的总模型 飘拶 多相泵复合式静叶c f d 模拟及流场分析 第3 章数值模拟及气液两相流理论 3 1 数值模拟方法n 们 目前的数值模拟对两相流中的各相通常有两种处理方法：一种是将某相看成 是连续的，根据连续性理论导出欧拉型基本方程，称为欧拉方法；二是将某相视 为不连续的离散型，对每个质点进行拉格朗日追踪，称为拉格朗日方法。综合起 来，对两相流动来说，存在着欧拉一欧拉、欧拉一拉格朗日、拉格朗日一拉格朗 同等3 种方法。 1 、欧拉两流体方法： 这种方法将连续相和离散相全部认为是统计连续。由于存在两种流体，各相 的体积含率不可能在时间和空间上逐点求解，必须对特定的时间和空间进行平 均。这种模型目前应用最为广泛，同时这种方法有明显的缺陷，由于将离散相分 布在控制容积上，无法得到真实的离散相流动图像。如果应用于紊流剪切流动中， 由于此时离散相对局部流动特性非常敏感，这个缺陷将更加严重。为了满足求解 精度的要求，需要非常小额网格尺寸，这是目前的计算能力无法承受的。 2 、欧拉一拉格朗日方法： 欧拉一拉格朗日混合模型是一种很有前途的方法，它使用基本网格的时间平 均方法得到连续相流场，例如有限体积或有限元法。对于离散相，最初的模型 ( c r o w e1 9 8 2 年) 假定其速度与连续相流场完全一致，后来的发展( b e r l e m o n te t a l 1 9 9 0 年) 是对离散相的拉格朗日型运动方程进行积分以得到它们的运动轨迹。欧 拉一拉格朗日混合方法同样对紊流模型非常敏感，通常忽略了离散相对连续相的 反作用，因此该方法的缺陷是造成流动瞬态脉动特性的丢失，从而无法得到剪切 流动中大涡结构的瞬态特性。即使引入随机过程也无法对丢失的瞬态信息进行有 效的补偿。 3 、拉格朗日一拉格朗日方法 拉格朗日模型中流场和离散相的传输均用瞬态模型计算，这种方法的关键在 于它对剪切流动中离散相传输给出了物理描述，使用正确的受力定律来描述颗粒 的运动。具体方法是在流场中特定的源点上引入大量的颗粒，针对每个独立的颗 粒按照运动方程积分以求得运动轨迹。离散相的统计信息可以从其轨迹和瞬时速 度得到。这种拉格朗日一拉格朗日方法用来预测离散相传输主要受到以下条件的 限制： ( 1 ) 流场为二维的，由大尺度涡结构控制； ( 2 ) 离散相由球形颗粒组成，密度均匀； 硕十宁何论又 ( 3 ) 离散相的传输仅由大尺度结构而不是小尺度紊流控制； ( 4 ) 流动“稀疏”，也就是说颗粒间或颗粒与流体问的相互作用毋须考虑。 3 2 两相流控制方程 流体流动要遵守物理守恒定律，基本的守恒定律有：质量守恒、动量守恒 定律、能量守恒定律。若流动包含不同成分( 组元) 的混合或相互作用，系统还 要遵守组分守恒定律。若流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。 控制方程是这些守恒定律的数学描述1 1 0 1 。 3 2 1 质量方程 昙( q 肛) + 去( q 帆) 一o ( 3 1 a ) 昙( 叩。) + 去( 以h 盯) = o ( 3 1 b ) 3 2 2 动量方程 气相动量方程： 熹( 嗽) + 砉( 嗽硝) g 詈坞段，g i + ( 3 2 a ) 液相动量方程： 妄c 眺，+ 考( q 眦训。q 詈毒卜以( 鼍+ 鲁) 】+ q n 厶+ c3 加， 3 2 3 能量方程 七方程： 昙( 口础) + 考( 啪啦) 2 毒卜尝善) + q ( g 一一) ( 3 m ) 其中：g 。以等( 等+ 考) s 方程： 言( q 肛小毒( q 晰) 2 专卜尝毒) + q 芋g 吒q 岛譬 ( 3 舶， 其中仃。为紊流脉动动能耗散率的普朗特数，而吼、仃，、c 为常数，采用单相流 中的取值：吼一1 0 ，口，一1 3 1 4 ，c “一0 0 9 。 多相泵复合式静叶c f d 模拟及流场分析 3 3 多相流模型 3 3 1 引言 研究两相流动特性，不管是流道流动还是绕流流动，都需要从建立流场特性 方程1 3 1 l 开始，用场特性方程关联必要的参数，由此达到所需参数的求解，进而 揭示其流动特性。和单相流一样，场方程即流场的质量守恒、动量守恒和能量守 恒方程，以及与三者相关联的结构式一一诺维一斯托克斯方程。这种方程组称为 基本方程，根据需要，它可以是一维、二维或三维的。由于两相流存在相间界面， 在界面上，介质参数存在急剧变化，于是在界面上便存在参数或特性的传递，因 此，两相流基本方程比单相流基本方程数量要多，而且内涵复杂。尤其是气液两 相流，相间变形和分散使界面本身成为不稳定的，由此造成各种流型的变化，反 过来这些变化又影响特性函数及基本方程的变化。但是，为了实际工程的求解， 我们更多的是看大量分子运动产生的效果，即宏观量，如压强、密度、温度、流 速等，为此工程中大都采用连续介质理论来分析求解两相流动问题，根据两相流 动的多样性和复杂性，以及流动的特征和精度要求，采用了不同的数学模型和分 析方法。 目前大部分c f d 软件提供的多相流模型( m u l t i p h a s em o d e l ) 有三种：v o f ( v o l u m eo ff l u i d ) 模型、m i x t u r e ( 混合) 模型和e u l e f i a n ( 欧拉) 模型。下面 对这三种多相流模型逐一介绍。 3 3 2v o f 模型 该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模 拟两种或3 种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中的大泡运动、 流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处理等。在该模型中，每增加一 相，只引入一个变量，即在计算单元内该相的体积份额。在每一控制体积内，所 有相的体积份额之和为一。流场内变量和属性由所有相共享，代表体积平均值。 在任意给定的单元内，变量值和属性代表单相还是混合相，取决于该单元内的体 积份额，因为体积份额( 例如：第q 相的a 。) 的可能取值为： 口。= 1 ：第口相流体在单元中是充满的。 口。= o ：第q 相流体在单元中是空的。 0 口。 i 图52 5 不可叶片数相对扬程比较 一；蟊舯籼靴叶叶叶叶： ：塑茎茎套耋墼些：2 誊銎墨鎏耋坌堑 碍09 9 5 较 靛 轻09 9 o9 8 j 00 8 + 片数9 叶片数10 叶片数1 1 一叶片数1 2 l0 2 0 3 4 0 5 0 6 阳 禽气率 图52 6 小同川片数相对效率比较 模拟结果分析：图52 5 52 6l j 不同叶 数相对扬程和相对效率比较图，图中 可以看到，随着叶片数的增加，扬稃敏率均提高，但当叶片数为1 2 时，扬程和 效率均出现下降。 图52 7 叶片数9 长静叶背面静压云图图52 8 叶片数9 长静叶工作面静压云图 图52 9 叶片数9 短静叶背面静压云图图53 0 叶片数9 短静叶工作面静压云图 蒸i|lll燃 。黛 茹i | l 黧一 缀i | i i l l 譬 演 鬻 67 0 瞧 图53 1 叶片敬1 0k 静叶背面静h 、瞎i图53 2 叶片数1 0 长静叶上作面静压图 鼍爨 厂。 i 1 胃：嚣器 参嵯鋈 图53 3 叶h 数1 0 短静叶背面静压图图53 4 叶片数1 0 短静川工作面静压图 图53 5 叶片数1 1 长静叶背面静压目圈53 6 叶片数1 1 长静叶f 作面静压图 翥瓣l l i 兰 。耵m重 嚣i l l l l l 鬻 *i，r， 荔嬲l l l 一 一俳雕融 嚣激l l i l | 口i目目 耋塑茎茎耋耋墼些妄2 墨型垒鎏丝2 堑 图53 7 叶片数1 1 短静叶背面静压图图53 8 叶片数1 1 短静叶工作面静压图 擎。警 睡 图53 9 叶片数1 2 长静叶背面静压图图54 0 叶片数1 2 长静叶工作面静压斟 图54 l 叶片数1 2 短静叶背面静压图图54 2 叶片数1 2 短静叶工作面静压图 模拟结果分析：圈52 7 54 2 为不同叶数下静叶j 二作面及背面的静压云图， 图中u ，以看出，随着叶片数的增加，静叶工作面和背面压力分布逐渐均匀，说明 随着叶片数的增加，排挤加剧，对流体约束加大，改善其内部流动状态。但当叶 片数为1 2 叫，静叶表血压力梯度较小，说明排挤过大，对流体的流动影响严重。 在图54 3 54 6 中可巳上看出，随着叶片数的增加，流道内液流的流动状态逐步改 善，但当叶片数为1 2 时，可以发现流道内液流速度很大流动状态不稳定，容 易造成气液分离。综上分析可知，对于此种长短复舍静，当叶片数为1 1 时， 性能最优。 一lil冀麓lll；口h口i日_ 了一 q 二_ 一t 4 、 一嚣黧滋。黔。书小 薯。o 蒸鳓爱l l l。m雕重n口i日i_ 鬻 蘸誉瓣 l 翳 缓，_ 。 躐麟。_ | 嚣=篡=甄=l麓麓兰一 耋翟茎蓦童圣墼彗窖：墨翟盔婆盈坌篓 的。各含气量下短叶片上压力分布较为均匀。 ! 嚣 一：器 i 鬻 图54 72 0 含气率f 静叶轮静压云幽图54 82 0 含气率下静叶轮总压云吲 i 、 ，一、蘑 i ，o 溪 、 _ 鬻 图5 4 94 0 含气率f 静叶轮静h i 云图图55 04 0 含气率f 静叶轮总压五图 觥霾 贬 日舞 i 蓁 图55 16 0 古气率下静叶轮静压五图罔5 5 26 0 含气率下静叶轮总压云图 5 3 3 2 静叶流道内气相分布分析 选取流量为q = 1 0 0 m 3 ，古气率为1 0 ，3 0 ，5 0 ，7 0 四种工况作为研 究对象，静叶段的r 1 1 5 柱面以及动静叶耦含面和出口的气相分布圈进行分析。 蕊illiillllill 譬，誊擎 一 冀 辫 嚆 i 蕃 图55 43 0 含气率下r 1 1 5 柱面气相图 i 图55 55 0 含气率r r l l 5 柱面气相型 图55 67 0 含气率f r l l r ：”憔 。；j | 薰 图55 7l o 含z t 率下各面气相图图55 83 0 含气率下各面气相图 阳 薹m蠹i8i莩器 饩 露辫蓦嚣一 醮：蓬=雕掣 ! 兽 m愚1ji 墨蕊恤k器警器器鼎器 蛋 =蛳k嚣孽；龆善葶 州马1i副hui一一m侣 加口l一u_一 ， 面 ， 啦 、 时 ， 率 气 含 惭 ， 、 1 、 图 耋垫量星童耋鏊皇：2 彗翟警鎏誊坌堑 。 一：魏 o 。：器 一 。一。 簿、| 。 ：蘸 图55 95 0 含气率下各面气相图图56 07 0 含气率f 各面气相图 图55 3 55 6 为不同古气二年rr “5 柱面e 的气相图，u j 以发现，在各个含 气率h 在静叶流道中能明娃的删察到较低含气率的区域， 要集中于静长叶背 1 6 】和静娅叶1 作1