（流体机械及工程专业论文）叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究.pdf

t h ee f f i c i e n c yo f m u l t i p h a s e b e ( h e b e iu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g f l u i dm a c h i n e r ya n d e n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rm a x i j i n a p r i l ，2 0 1 1 9 2肌85 8删8- 肌y 声明和使用授权说明 导师的指导下独立进行研究所 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：胡席埠 日期：驯年6 月p 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。 日期：，年月口日 日期：- 矽z 1 年石月i o 日 硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1多相泵的研究背景与意义1 1 2国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 国外研究现状综述2 1 2 2 国内研究现状综述3 1 3多相流的研究和理论模型4 1 4 本课题主要研究内容5 1 5小结5 第2 章研究方法及可行性分析6 2 1 研究方法及技术路线6 2 2 数值模拟简介6 2 2 1数值模拟方法的特点与优势7 2 2 2 多相流数值模拟的主要困难7 2 2 3 多相流数值模拟的关键问题一8 2 3螺旋轴流式多相泵数值模拟方式9 2 4 可行性分析9 2 5 小结9 第3 章多相混输泵叶轮单通道结构设计1 0 3 1作用原理及性能特点，1 0 3 1 1 作用原理1 0 3 1 2 性能特点1 0 3 2 叶轮设计的基础理论1 1 3 2 1 圆柱层无关性假设一1 1 3 2 2 平面直列叶栅理论一1 1 3 3 泵设计参数1 3 3 3 1叶轮的结构1 3 3 3 2 动叶轮流动区域的一般流动参数1 3 3 - 3 3叶栅稠密度1 4 3 3 4 轮毂处翼型最大厚度和叶片倾斜角1 4 3 4 单通道模型建立1 5 3 4 1u g 在参数化模型创建中的应用1 5 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 5 3 5 4 5 5 5 6 道建模1 6 l ； 的数值模拟过程1 9 ：1 0 4 1 1网格生成技术2 0 4 1 2网格划分软件g a m b i t 2 1 4 1 3计算模型的网格划分2 l 建立控制方程2 2 设置两相流计算模型一2 5 定义材料及运行环境2 6 设置边界条件2 6 设置求解过程的监视参数2 7 迭代计算2 7 月、l ；2 7 数据处理分析2 9 混输泵性能参数的定义及预测的方法2 9 边界条件对比31 5 2 1速度进口和自由出流3 1 5 2 2速度进口和压力出口3 2 单通道叶轮上下部实体延长段长度对比3 3 叶轮不同叶栅稠密度模拟分析3 5 5 4 1 叶片表面模拟分析一3 5 5 4 2 气液两相分布分析4 4 5 4 3 性能预测4 6 不同叶栅稠密度布置的模拟分析4 8 最优模型性能预测4 9 5 6 1流场分析5 0 5 6 2 外特性分析一5 2 5 7 小结5 4 结论与展望5 5 参考文献5 7 致 射6 1 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 6 3 2 3 4 5 6 7 8 ： l 2化们铴似章”跎 c j第 硕士学位论文 摘要 多相混输技术是近年来发展起来的一种高效经济的油田开发方式。多相混输 泵作为多相混输技术的核心设备，是一种集常规液相泵和气体压缩机性能于一体 的多相输送装置。叶轮作为混输泵的核心部件，直接影响着泵中流体的流动稳定 性以及泵的效率。而叶栅稠密度作为叶轮的重要几何参数，直接影响着泵的效率。 因此，对叶轮叶栅稠密度的研究有着特殊的意义。 本课题采用叶轮单通道数值模拟方法，对叶轮进行流场模拟，分析叶轮叶栅 稠密度对多相泵效率的影响，寻求某一叶栅稠密度使泵的效率和气液混输性能最 优。本课题研究采用比较适合油气混输泵内部流动要求的7 9 1 翼型，使用u gn x 软件对单通道叶轮进行参数化三维造型，运用g a m b i t 软件对模型进行网格划分， 在f l u e n t 6 3 软件中进行流场数值模拟。 单通道叶轮模拟结果表明：多相混输泵的叶轮叶栅稠密度在减小时，叶片表 面间压力差增加容易造成气液在流道中的分离，降低泵的气液混输能力，适当增 加叶栅稠密度可以保证压力沿翼型平稳增加，可减缓气液两相沿流动方向的相态 分离。在高含气率工况下五种叶栅稠密度的叶轮模型相比，轮毂和轮缘处采用相 同的叶栅稠密度为2 4 时综合性能最优，此模型气液两相分布虽不太均匀，但增 压最大，效率最高，轴功率也比较适中，适用含气率范围也最大，其整体性能要 远远好于其他几个叶栅稠密度的模型。 通过模拟分析绘制了单通道叶轮不同叶栅稠密度下的外特性曲线以及最优模 型的特性曲线，为课题组对整机的设计与研究提供了有益的参考资料，其研究工 作在一定程度上缩减了螺旋轴流式油气混输泵的研制周期。 关键词：多相泵，叶轮，叶栅稠密度，效率 e f f i c i e n c y , i s a ni m p o r t a n tg e o m e t r i c p a r a m e t e rt ot h ei m p e l l e r t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho nt h ec a s c a d es o l i d i t yo ft h ei m p e l l e ri ss p e c i a ls i g n i f i c a n t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e do nt h es i n g l e c h a n n e li m p e l l e rm e t h o d i nt h et h e s i s t h ei n f e c t i o no ft h ec a s c a d es o l i d i t yo nt h ee f f i c i e n c yo fm u l t i p h a s e p u m pw a sa n a l y z e db a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ei m p e l l e rf i e l d t h eb e s t c a s c a d es o l i d i t yw a sf o u n df o rt h ee f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c eo fg a s l i q u i dm i x i n g f l o wl e v e l t h e7 91 一a i r f o i lw a sa p p l i e df o ri t i ss u i t a b l ef o rt h em u l t i p h a s ef l o w r e q u i r e m e n t si n s i d e t h ep u m p t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h es i n g l e c h a n n e l i m p e l l e rw a se s t a b l i s h e dw i t ht h es o f t w a r eu g n x ，t h ec a l c u l a t i o na r e ad i s c r e t i z e di n t h es o f t w a r eg a m b i ta n dt h ec a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t ht h es o f t w a r ef l u e n t 6 3 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nm u l t i p h a s ep u m pi m p e l l e rc a s c a d e s o l i d i t yr e d u c e d ，t h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w os u r f a c e so fb l a d ew o u l d i n c r e a s e ，w h i c hw a sl i k e l yt ot r i g g e rt h eg a s - l i q u i ds e p a r a t i o ni nt h ec h a n n e l ，a n dt h e t r a n s p o r ta b i l i t yo fg a s l i q u i dm i x e df l o wi nt h ep u m pd e c l i n e d a na p p r o p r i a t e i n c r e a s ei nt h ec a s c a d es o l i d i t yc o u l ds u p p l yas m o o t hp r e s s u r er i s i n ga l o n gt h ea i r f o i l ， a n ds l o w e dd o w nt h ep h a s es e p a r a t i o no nt h ef l o wd i r e c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ef i v ei m p e l l e r sw i t hd i f f e r e n tc a s c a d es o l i d i t yw e r ec o m p a r e do nt h eh i g hg a s v o l u m ef r a c t i o n w h e nt h ec a s c a d es o l i d i t yo nt h eh u ba n ds h r o u dw e r ea l l2 4 ，t h e a s s e m b l yo ft h ep a r a m e t e r sh a dt h eb e s tp e r f o r m a n c e a l t h o u g ht h ep h a s ed i s t r i b u t i o n w a sn o te v e ne n o u g h ，t h es t r o n g e s tc o m p r e s s i n ga b i l i t y ，t h eh i g h e s te f f i c i e n c y , t h e p r o p e rs h a f tp o w e r , a n dt h em a x i m u mg a sr a t er a n g ew e r eo b t a i n e d t h eo v e r a l l p e r f o r m a n c ew a sm u c h b e t t e rt h a no t h e rm o d e l s t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so ft h es i n g l e - c h a n n e li m p e l l e r sw i t hd i f f e r e n tc a s c a d e s o l i d i t ya n dt h eb e s tm o d e la r ed r a w n ，h e l p f u lr e ：f e r e n c em a t e r i a l sa r ep r o v i d e df o rt h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h o ft h eo v e r a l lu n i t ，a n dt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo ft h e h e l i c o a x i a lo i l g a sp u m pi sr e d u c e db yt h er e s e a r c ho ft h et h e s i s k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ep u m p ；i m p e l l e r ；c a s c a d es o l i d i t y ；e f f i c i e n c y 硕士学 第1 章 位论文 1 1多相泵的研究背景与意义 绪论 随着世界石油、天然气等基础能源储量的不断减少及对其需求的不断增加， 世界经济受其影响更加强烈。自从1 9 8 6 年石油价格崩溃以来，陆上边际油田、沙 漠油田的开发，特别是海上油田的开发，开始被许多石油生产国所关注【l 】。2 0 0 8 年金融危机爆发前石油价格的暴涨，更加推动了世界各国对这些油田的开发。而 这些油田在开采过程中，其产出物多为油、气、水多相混合物。在一些特殊情况 下，如采用常规生产方式根本无法进行生产，而采用多相混输不仅能进行生产， 并且可以使开采活动具有经济效益时，用户需要考虑的是如何使混输技术更加完 善，从而带来更大的效益【2 1 。伴随科技的发展，石油和天然气的开采工艺在不断 革新，多相混输技术成为近年来发展起来的一种高效经济的油田开发方式。 多相混输技术比传统油田开采技术具有以下几项明显的优势： ( 1 ) 采用多相混输可以将油气混合物直接加压输送至大站或油库，避免油气 分离【3 】，大大减少了轻质油的损耗，还可减少站库的数目、减少操作员工人数及 减轻运行维护人员劳动强度等。 ( 2 ) 可去除气液分离设备，减少钢管作业和钢材的消耗，延长输送距离，避 免在地理环境恶劣的地方建设油气处理厂，从而大大降低基建投资和管理费用 4 1 。 ( 3 ) 通过降低井口回压，增加油气产量，并可延长油井寿命。据报道，井口 压力减少5 0 ，原油产量可望增加1 0 1 5 t 5 1 。 ( 4 ) 对海上油田，多相混输与常规建设平台的设计方案相比意味着可用海底 增压装置代替平台，从而大幅度的降低工程投资。 ( 5 ) 采用多相混输技术，可以使在油、气分输工艺技术条件下不具备开采价 值的一些边际油田获得经济有效的开发，如处于深水区域的小区块油田，沙漠腹 地的零散区块油田，一般陆地油田外围的边远小区块油田。 基于上述原因，多相混输技术愈来愈显示出其必要性和重要性。而多相混输 泵作为多相混输系统中的关键核心设备，通过一条管道将油、水、气体、沙粒及 石蜡等组成的多相混合物输送到中心处理装置。多相流混输泵作为集输气液混输 物的一项新技术，它具有以下一些性能1 6 】： ( 1 ) 机械结构简单紧凑，并具有极高的可靠性； ( 2 ) 具有良好的抗磨蚀性和腐蚀性； ( 3 ) 运行可靠，可输送高含气率混合物，对输送介质无最小量限制。 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 1 2国内外研究现状及发展趋势 1 2 1国外研究现状综述 十几年来，国外对多相混输泵开展了2 0 多个项目的研究开发工作，研制出了 1 0 多种不同类型的多相泵，其对应主要产品1 1 。 。 表1 1 多相泵产品一览表 泵类型对应的产品生产厂家 f r a m o 叶片式泵旋转动力式 s u l z e r w e i r 回转泵双螺杆泵b o r n e m a n n 容积式泵n u o v op i g n o n e 柱塞泵f r a m o 往复泵 隔膜泵n u o v op i g n o n e k s b 系统k v a e r n e r 复合增压装置 引射增压系统 c a l t e c 当前，多相混输泵的泵型多种多样，主要有：转子动力泵、双转子反向旋转 动力泵、双螺杆泵、隔膜泵、水力喷射泵等。目前经过广泛的现场试验并成功的 应用于工业生产的多相混输泵，主要是容积式双螺杆多相流泵和旋转动力式多相 泵两种类型： 1 双螺杆多相泵 双螺杆泵具有强制输气液的特点，因而无论含气率如何变化，都可以强制性 的将气液从入口经过压缩腔压缩再推到排出口【7 】，性能不会因为含气率的提高而 大幅下降，所以它可以输送含气率较高的混合物。其在设计上利用气体的压缩性 成功地降低回流损失，提高了泵的容积效率。这种泵在输送多相流时采用了气体 压力渐进升高的方式，进口处压力升高缓慢，而出口处压力升高较快，因而进口 处回流损失较小，而回流则用于减少输送介质的含气率，增大出口压力。虽说双 螺杆泵的应用是最广泛的，但存在输送流量较小，对泥沙敏感，螺杆外缘与缸体 磨损后，压力迅速降低，致使该型泵工作可靠性低，维修量大，寿命低，运行成 本高8 1 。 2 螺旋轴流泵 螺旋轴流式多相泵的研究始于1 9 8 4 年著名的“海神 计划，1 9 8 7 年研制出 工业用样机泵p 3 0 0 ，1 9 9 2 年海神泵在工业应用和理论研究上都有了很大的发展， 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【9 1 ，安装在距中 心平台l o k m ，水深2 7 0 m 的油井中，海底油气多相泵的应用，使该油田的油气总 2 硕士学位论文 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 【1 0 】。据2 0 0 0 年的 报道，螺旋轴流式多相泵成功通过水下试验，应用于海底油田。 螺旋轴流式多相泵的优点： ( 1 ) 可在高含气率( 9 4 - 9 6 ) 高转速( 4 5 0 0 - 6 8 0 0 转分) 或低吸入压 力条件下良好运行，甚至可在干转( 含气率1 0 0 ) 情况下运行l 小时； ( 2 ) 能适应各种复杂的工况，特别是含砂量大时也能很好运行； ( 3 ) 结构紧凑、重量轻、长期运行可靠性强，操作简单，在大流量、中高压 时使用效果尤佳； ( 4 ) 配备电子监控系统后，在海底、沙漠及边远油田中它具有良好的操控性 和巨大的应用前景【1 1 】。 螺旋轴流式多相泵作为用于油田多相混输生产的一项新技术，针对该泵的研 究开发现在已经成为一大热点。 1 2 2国内研究现状综述。 多相混输泵的国产化将是多相混输泵技术推广应用的前提，混输泵的国产化 有利于降低混输泵的制造成本，改善售后服务，增强用户采用该项技术的信心。 随着多相混输技术的发展，我国若干制造厂家开始了混输泵的开发工作，尽管与 国外相比起步晚，但技术进步的速度还是相当快的。个别厂家的样机已经进入现 场应用考核阶段并且产品已逐步形成系列。这其中以天津瑞德机械有限公司的双 螺杆多相混输泵和兰州奈茨泵业有限公司偏心螺旋转子泵( n e m o ) 最为突出。 目前，在胜利、河南中原、辽河、吐哈、江苏、大港、塔河、大庆等油田已 经应用多相混输泵技术，并且大多数泵的运行良好。但其所使用的这些多相泵的 主要类型是螺杆泵，约占7 0 【l2 1 ，并且均是国外的技术。 在国内尚未有现场使用螺旋轴流式多相泵的报道，但国内一些大学已经积极 地加入到螺旋轴流式多相泵设计研究的行列中。兰州理工大学、清华大学、石油 大学、西安交通大学等对螺旋轴流式多相泵进行了研究工作并取得了阶段性的成 果，但距实际应用还有一段距离。 国内外多相泵的发展与研究趋势： ( 1 ) 国外气液两相流泵已经发展到工业应用的程度，但其性能还有待于进一 步提高，离形成完整的设计方法还有一定距离。而目前我国主要处在产品引进阶 段。 ( 2 ) 应将已有的叶轮机械的设计理论同两相流动理论及现有计算模型相结 合，发展一种更完善的两相流泵的设计方法。 ( 3 ) 提高泵的多相输送性能，不仅要改进叶轮的设计，还应该综合考虑各过 流部件的影响，并开展对其内部流动及设计方法的研究【1 3 】。 3 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 1 3多相流的研究和理论模型 多相流的分析和研究要比单相流复杂和困难得多。理论上来讲，流体力学的 基本方程可以用于对多相流的计算，但是在多相流中，一般要对各相分别列出各 自的守恒方程，还要考虑相间的相互作用。目前，分析多相流的方法主要是被充 分使用过的单相流中方法的延伸。而现在研究多相流动的方法大致有以下几种【6 】： ( 1 ) 经验关系式法 经验关系式法是将工业性、半工业性的试验结果或实验室的实验结果经过整 理，总结成经验关系或图表，其优点是计算简便、快捷、精确，缺点是局限较大， 只能用于规定的范围，只有当设计对象与获得关系式的条件相同时，才能获得良 好的结果。此方法还不能揭露问题的物理本质，无法依赖其获得改善设计的方向。 ( 2 ) 分析方法 分析方法是试图从基本原理出发推导出多相流的控制方程，主要步骤是：( a ) 对每相和界面条件建立局部的瞬时方程；( b ) 用平均方法得到瞬时空间、局部时 间和时间空间三者的平均方程；( c ) 把平均方程简化到要求的程度来求解实际问 题。此方法比较严密，所得到的关系式更具有普遍性。 ( 3 ) 唯象方法 唯象方法是试图透彻地了解物理上存在的现象，并据此建立模型。其主要步 硕士学位论文 析，以得到颗粒在气流中的轨迹和其它参量。 以上三种基本模型的使用效果和具体研究对象有关，不能简单评价孰优孰劣， 在选择模型时，还应考虑所用模型的可行性。目前最活跃的是多流体模型，它对 不少实际问题的描述是很有潜力的，特别是对三维问题，因为现代计算机技术可 使我们有可能处理所有的联立方程。 1 4 本课题主要研究内容 课题组对y q h 1 0 0 型多相油气混输泵数年的试验研究结果表明，该多相混输 泵输送介质含气率较高，达到了预期设计的效果，但是效率比较低，气液分离现 象较严重，能量损失较大f 1 8 2 2 1 ，仍需对此泵作进一步设计改进。 优秀的叶型是改善压缩级工作能力的关键，也是减少和防止气液分离的关键 因素【2 3 2 4 1 。本次研究的重点是采用7 9 1 翼型【25 1 ，分析不同叶栅稠密度在不同含气 率下对效率和增压的影响，寻求某一叶栅稠密度使能量损失最小和气液混输能力 最好。叶栅稠密度作为叶轮的重要几何参数，它直接影响泵的效率和气液混输能 力。叶栅稠密度的大小代表了叶片总面积的大小。普通轴流泵在减小稠密度时， 叶轮叶片的总面积减小，摩擦面积减小，可以提高效率；但是另一方面，叶片两 表面间的压力差会增加。对于多相混输泵而言，叶片两表面间压力差增加容易造 成气液在流道中的分离，降低泵的气液混输能力f 2 6 1 。适当增加混输泵叶轮叶栅稠 密度可以保证压力沿叶型平稳增加，减缓气液两相沿流动方向的相态分离，但也 不宜过大，否则会增加轴向长度和流动损失，制造也比较困难。多数文献对多相 泵的叶轮叶栅稠密度仅给出一个取值范围，但对此范围内和相邻区间的叶栅稠密 度叶轮内部流动分析并未深入研究。为此本课题采用单通道方法，对叶轮进行流 场模拟，以了解内部流动状况。此次重点是对叶轮叶栅稠密度这个设计参数进行 调整，整理出系统的模拟数据，便于在今后的研究中与实验数据进行对照，为多 相泵的进一步开发、研制和设计提供参考依据。 论文主要开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析叶栅稠密度对多相泵气相分布的影响，找出其规律； ( 2 ) 研究叶栅稠密度对效率和增压的影响规律； ( 3 ) 综合含气率、增压与效率取得最佳平衡点。 1 5小结 本章首先概述了多相混输技术和油气混输泵的特点，然后从两相流理论出发， 叙述了两相流的研究情况和发展趋势，最后介绍了本文的主要研究内容。 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 第2 章研究方法及可行性分析 2 1研究方法及技术路线 总结轴流泵和压缩机的设计方法【2 7 2 9 1 ，运用叶栅理论并参考已有叶轮参数， 采用现有设计方法设计叶轮，即将c a d 和c f d 技术有机结合起来【3 ，借助c a d 技术强大的三维造型功能及c f d 强效的流场数值模拟效果，建立一套方便、有效 的螺旋轴流式多相泵设计方法，得出叶轮内部的压力、速度分布、气相分布规律 等数据并进行分析，给叶轮的设计改进提供依据。具体设计流程如图2 1 所示。 c a d 设计 c f d 模拟 图2 1 叶型设计方法流程图 2 2 数值模拟简介 数值模拟是运用电子计算机技术，通过求解由质量、动量和能量守恒方程等 组成的非线性偏微分方程组，借助于图像显示技术在时间和空间上定量描述流场 的数值解，从而实现对工程中乃至自然界各类物理问题和现象进行研究的技术， 6 硕士学位论文 也通常被称为数值试验，现已经成为科学研究中一种与做实验一样重要的手段。 2 2 1 数值模拟方法的特点与优势 与传统的实验方法相比，数值模拟具有很大的优越性【6 i 。 ( 1 ) 数值模拟工作的物质耗费较少，花费时间较短，节省人力物力财力。但 是这种优越性的发挥需要一个前提条件，就是建立好所需的计算模型、选择好计 算方法和计算程序。这部分工作常常是计算机数值模拟能否工作成功的关键，也 是最为艰苦的工作。 ( 2 ) 数值模拟具有便宜性。数值模拟具有很好的可操作性，易于控制条件， 因此比实验研究更加自由、更加灵活，便于实现优化。发挥此优势的前提条件仍 是建立好计算的模型、方法和程序。 ( 3 ) 可重复性。在计算机的精度范围内，只要计算条件不改变，计算结果总 是相同的。 ( 4 ) 通过数值模拟可预测一些实验难以测量的量。比如星体内部温度的分布、 可控反应堆内部温度场的分布、航天飞机飞行时和返回时的复杂流场、反应堆在 地震及特种条件下的安全性等。 ( 5 ) 通过数值模拟还可发现一些新的现象。比如两个孤立的波相互作用的一 些特性就是通过进行数值模拟首先被发现的【3 1 3 3 】。 由于数值模拟突出的优越性，此技术已经得到了越来越广泛的应用，在工程 技术和科学研究中发挥的作用越来越重要。 2 2 2多相流数值模拟的主要困难 多相流的流动特性要比单相流复杂得多。它区别于单相流最根本的特点是在 流动过程中同时存在着被相界面明显分开的两种或多种组分。在多数情况下，两 相或多相流动系统是由连续相和弥散相组成的体系，其流动情况很复杂。这种流 动复杂性表现在：( a ) 连续相分布均匀，而弥散相则分布不均匀、且直径大小不 相等，通常情况下为了方便问题的分析，仅仅考虑它的平均尺寸，或按尺寸的大 小把弥散相分成不同的尺寸段来研究，每一个尺寸段内的颗粒都具有均匀的平均 尺寸；( b ) 多数情况下，弥散相的浓度不大，因此严格地说，弥散相不能作为连 续的介质来处理；( c ) 由于存在密度差，弥散相与连续相的惯性不同，因此它们 之间还存在速度滑移现象；( d ) 由于弥散相颗粒的大小和形状不同，因此从严格 意义上说，每个弥散相的速度均不相同：( e ) 由于存在速度梯度，弥散颗粒常常 处于加速或减速的不稳定状态；( f ) 弥散颗粒的湍流扩散系数与连续相的不同， 因而它们的横向扩散运动特点也不一样。因此，多相流的复杂性给它的数值模拟 带来了很大的困难【3 4 3 6 l 。 两相流作为多相流的典型形式，其数值模拟面临的困难主要表现在： 7 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 ( 1 ) 相对于单相流来说，描述两相流场的变量几乎要增加一倍。各相的速度、 浓度、物性( 如温度、密度、粘性等) 、分散相的颗粒大小以及相间的相对速度等 都在很宽广的范围内变化；这些参数将会引起流动性质和流型的变化。 ( 2 ) 描述两相流的基本方程组要比单相流的要复杂得多。只有在特定的情况 下，两相流体才可以在均匀流假设条件下被近似的认为是均匀的混和物，才可以 采用类似于单相流体的模型方程和方法进行处理，如泡状流、雾状流等。在多数 情况下，组成两相流体的各相必须采用独立的数学方程来进行描述，同时还必须 增加两相交界面上的动量控制方程和热质传输方程，封闭方程组中方程的数量将 大大增加。 ( 3 ) 还需要确定相之间的相互作用。在两相流的数值模拟中，主要的工作是 针对相间相互作用的过程建立恰当的物理模型。 ( 4 ) 对相分布的描述困难。两相流中的相分布情况决定了两相流的宏观特性。 具有不同相分布的两相流具有截然不同的传热和流动特性。 ( 5 ) 两相流守恒方程的求解困难。在两相流中，不同的相之间存在着多种相 互作用，同一相之间也存在着相互作用。对气液两相流来讲，弥散的液体颗粒( 或 者气泡) 可能会发生相互碰撞，并融合为一个大的液体颗粒( 或气泡) ，也可能是 一个大的液体颗粒( 或气泡) 受到外界力的作用而破裂为多个小液滴( 或气泡) ； 而且，还随着流动条件的不同，液滴( 或气泡) 的融合和破裂的变化过程可能交 替出现，互相转化。 ( 6 ) 对气液两相界面的数学描述也困难。气液两相流与气固两相流不同，表 现出一些比较特殊的困难，最大不同就是气液两相流的相界面可能发生迁移、变 形、破碎或合并。这个特点使气液两相流的相分布和相界面分布都具有一定的不 确定性，比气固两相流更加复杂。 ( 7 ) 气液两相界面上表面张力的计算困难。 2 2 3多相流数值模拟的关键问题 通过上面的分析可以得到，如果有一种方法能够准确地确定相界面的位置和 运动过程，再有恰当的方法可以准确地给出各个时刻流动区域内各个空间位置的 物性参数，再假如有一套很稳健的流场计算方法，那么，两相流的数值模拟将与 单相流的数值模拟没有什么大的差别。 因此，两相流的数值模拟的关键问题在于： ( 1 ) 相分布、相界面分布的确定及其描述方法； ( 2 ) 物性参数的确定方法； ( 3 ) 数值计算方法。 8 硕士学位论文 2 3 螺旋轴流式多相泵数值模拟方式 在轴流式多相泵内，叶轮是旋转的，而其后的整流器( 静叶) 是静止的。轴 流泵内部的流场模拟有两种方式：一种是动静结合的方式，做全通道的数值模拟； 另一种是单通道方式，即将叶轮与其他过流部件分开，单独进行流场分析【37 1 。 动静结合的方式是将整个计算域按照部件的相对运动关系划分成若干个子 域，这种可以充分考虑各部件之间的相互作用与影响，能够获得全面的流场信息。 但是，叶轮的叶片数与导叶体的叶片数通常是互为指数的，这样采用动静结合的 方式就不能使用周期性的边界条件了，必须将3 6 0 度范围内的整个流道全部设为 计算域。所以，这种模拟方式的计算量大。 采用单通道方式的好处主要是可单独研究对泵起关键作用的叶轮的特性，尤 其是可以使用周期性边界条件，只取包含一个叶片的局部区域作为计算域，从而 可以使计算工作量大大减小；且计算比较灵活。而它的缺点是无法提供各部件之 间相互作用与影响的信息。 经初步数值模拟，对相同叶轮来说，采用单通道叶轮模拟得出的数据与以往 课题组的压缩单元数据进行对比得出：其效率相差在1 左右。因此，为了清晰 的说明流场数值模拟计算和方便数据分析，在本论文研究中，将采用单通道方式 研究轴流式多相泵内部的流动。这里只研究叶轮内部的流动情况，而不研究叶轮 前的吸入室及后面的整流器内部的流动情况。因为本次设计叶片数取为4 ，所以 从叶轮流动区域中取出四分之一作为模拟的计算域。与此同时，为了减小计算时 进口及出口位置对叶轮内部流动状态的影响，适当得将计算域进口边界及出口边 界向泵的进口及出口做延伸。在计算域的侧面边界上，将使用周期性边界条件， 同时还要使用转动参考系，流动将按稳态来对待。 2 4 可行性分析 1 国内外对于螺旋轴流多相泵的研究已有一定发展，关键是本课题组已进行 多年的研究，已生产出样机并进行了试验，有了相当多的技术积累。 2 c a d 及u g 软件的开发及应用为这次设计提供了方便之处，参数化设置 将减少建立模型的大量时间，提高效率。 3 利用计算流体软件f l u e n t 及前后处理相关软件，为进行数值模拟提供 了条件。 2 5 小结 本章主要介绍了叶轮的设计方法和多相泵单通道的数值模拟，对多相流的数 值模拟的关键性问题和主要困难也做了详细介绍，并进行了课题的可行性分析。 9 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 第3 章多相混输泵叶轮单通道结构设计 3 1作用原理及性能特点 3 1 1 作用原理 螺旋轴流式多相混输泵是借鉴输送纯液体的泵和纯气体的压缩机的原理而创 造出来的，多级压缩单元串联工作。每级压 缩单元由一个叶轮和一个导叶( 也称整流器) 组成，叶轮随轴旋转，导叶静止，结构如图 3 1 所示。它可以输送液体、气体的气液混 合物，其基本作用原理【3 8 】：多相流体在高速 旋转的叶轮中获得动能和压能，并通过导叶 的扩压作用实现动能向压力能的转换，同时 调整多相流体流动状态，为下一压缩单元的 正常工作提供保证。 3 1 2性能特点 疆镶攀茏 图3 1 压缩单元 叶片式多相泵输送高含气率的气液混合流体的关键是保持流经多相泵的气液 两相流体的均质性、防止输送介质的相间分离【3 9 1 。在多相混输泵中，气液两相流 体如果发生相态分离，就会导致多相泵传送能量的效率降低，甚至产生较大流态 的脉动，使机器产生振动。 叶片对气液混合物产生升力而进行加压，螺旋型的叶轮和整流器又强迫输送 介质沿轴向运动，有效地防止了气液两相介质在流道内的分离，从而保证均匀流 动的要求。在理论上可以从能量分析的角度解释为什么要采用螺旋轴流式叶片结 构。德国学者dh e l l m a n n 对径向式与轴流式泵内气液两相的能量分析表明【4 0 1 ， 其压力梯度值分别为： 径向式： - c o p _ p ( 2 一舟一p 妄( 等一) ，) 轴流式： 空：一p ! ( 3 2 一)二= 一p l j ) a n。r 式中：p 一体积密度( k g m 3 ) 。 c o 一泵转速( r a d s ) ； v 一相对速度( m s ) ： 1 0 硕士学位论文 由于v 2 国r 一般在o 2 - 0 5 的范围内，对比以上两式可以看出：径向泵内两 相流体的压力梯度较大，容易导致两相分离。一般情况下径向气液混输泵输送两 相流体时最高含气率不超过1 5 。 3 2 叶轮设计的基础理论 油气混输泵兼有泵和压缩机两者的性能，在设计叶片时常常需要考虑流体的 压缩性，故本文采用分段不可压【4 l 】的总体设计方案思想，认为在单个压缩级内的 流动是不可压的，而级与级之间的流动是可压的。根据分段不可压的设计思想， 在进入首个过流部件时两相流体的速度应当是均匀的，即为均质流体，这给后面 模拟计算入口指定为速度入口边界条件提供了依据，而其最大的好处就是可以参 照轴流泵的设计方法设计多相混输泵。流体在叶轮中的运动是一种复杂的空间运 动。任何一种空间运动都可认为是由三个相互垂直的运动分量的合成。因此，在 研究流体在轴流叶轮中的运动时，引入圆柱坐标系( r ，口，z ) 来表示比较方 便，其中r 轴为半径方向；秒轴为圆周方向；z 轴与和泵的轴线重合的方向【4 2 1 。 3 2 1 圆柱层无关性假设 在分析和计算油气混输泵叶轮时，采用了圆柱层无关性假设，即认为在叶轮 中流体质点是在以泵轴线为中心圆柱面上的流动，相邻各圆柱面上流体质点的运 动互不相关。也就是说，在叶轮的流动区域内，流体质点不存在径向的分速度 形= 0 。圆柱层无关性假设极大地简化了油气混输泵叶轮流动区域的物理模型。根 据这一假设可以用圆柱面把叶轮分割成许多无限薄的圆柱层，展开后得到与其它 圆柱层互不相关的平面直列叶栅，如图3 2 所示。这样本来相当复杂的两相流动 就可以简化为平面叶栅的扰流问题。 3 2 2 平面直列叶栅理论 根据圆柱层无关性假设，流体质点没有径向分速度( e = 0 ) ，在叶轮内可以 做出很多个圆柱流面，而每个流面上的流动可能不完全相同，但研究的方法是相 同的，因而只要透彻明了了一个流面上的流动，其他流面上的流动问题也就会得 到类似的解答。 用半径为r 和r + 搬的两个无限接近的圆柱面截取一个微小圆柱层，取出并 沿其母线切开展为平面。叶片被圆柱面截割，其截面在平面上组成等距排列的一 系列翼型，每个翼型的绕流情况相同，并与圆柱面内翼型的工作情况相对应。这 叶栅稠密度对多相泵效率影响的研究 种由相同翼型等距排列而组成的无限翼型系列称为平面无限直列叶栅【4 3 1 。在这个 叶栅中，只要研究其中一个翼型的绕流问题就可以概括其一般性。于是，研究混 输泵叶轮内的流动，就可以简化为研究对应几个圆柱流面的叶栅中绕翼型的流动， 几个圆柱面上的翼型串起来，就得到了泵的叶片。表征一个叶栅的主要几何参数， 叫做叶栅的几何参数，如图3 3 所示。 图3 2 圆柱层 - l 艮 互 冬入， 膨 t u 叶栅的几何参数主要有下列几个【4 4 】： ( 1 ) 列线 栅中各叶片上对应点的连线，称为叶栅的列线。通常都以叶片前后缘点的连 线表示。 ( 2 ) 栅轴 垂直于列线的直线叫栅轴。 ( 3 ) 叶型 叶片与过列线的流面交截出来的剖面形状，叫叶栅的叶型。 ( 4 ) 栅距 列线上两相邻的对应点间的线段长度，叫叶栅的栅距，用字母f 表示： f ：兰竺 ( 3 3 ) f = l j j ) z 式中：，一圆柱层的半径； z 一叶轮叶片数。 ( 5 ) 翼型弦长 翼型前缘和后缘之间的连线长度，称为弦长。 ( 6 ) 安放角 叶型弦线与叶栅列线间的夹角尾，称为叶片安放角。叶型中线在前、后缘切 线与列线之间的夹角分别叫做叶型的进出口安放角。 ( 7 ) 叶栅稠密度 栅中叶型弦长，与栅距f 之间的比值l t ，叫做叶栅稠密度，可表示为盯= l t ， 1 2 硕士学位论文 把其倒数t l 称为相对栅距。 ( 8 ) 翼型相对厚度 否：垒 ， 式中