（流体机械及工程专业论文）轴流式多相泵静叶流场分析和数值模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 叶轮作为混输泵的核心部件，分为动叶轮和静叶轮，对泵的性能有着很大的影响， 对它进行研究，更有着重要的意义。 静叶轮作为混输泵的核心部件，静叶轮将介质的动能转化为压力能。设计高效、稳 定性能优良的混输泵，关键在于动叶和静叶的设计，需找出两相介质在动叶和静叶内部 流动规律，由此优化叶轮的设计，提高叶轮的效率。本文主要研究静叶轮参数对轴流式 油气混输泵内部流场的影响。 本文首先从y q h 一1 0 0 型油气混输泵的静叶入手，通过改变静叶轮的叶片数、弦长对 混输泵静叶轮的进行设计，形成数个静叶模型，进行数值模拟，分析、比较静叶轮参数 对混输泵性能的影响。 本设计采用p r o e 建立三维实体模型，利用g a 船i t 对三维实体模型划分网格。运 用f l u e n t 对模型进行计算模拟，分析模拟结果，做出静叶性能图，确定混输泵静叶轮 总体性能。通过对流速、压力、及气相的分布状况，掌握转轮内部流场情况，并针对流 场的不足之处，进行几何参数修改，进一步完善。静叶轮采用长、短叶片的方式，有效 的减小静叶流道内旋涡，减弱静叶流道内气液分离，提高了混输泵的效率。模拟结果证 明，混输泵的效率有所提高，达到预期目的，为以后设计提供有益的参考资料。 关键词：混输泵、静叶轮、数值模拟、流场分析、含气率； 轴流式多相泵静叶的流场分析和数值模拟 a b s t r a c t h p e l l e r 舔。玳o ft h em o s tj m p o r t a n tp a r t si nm u l t i p h a 唧n a t i o np u m pi s c o m p 0 i s e d w h i r l yi m p c u e r 卸d s t a t o ri n l p c l l e lh a v es i 印i f i 咖ti l l n u 朗c c t l 圮 p c r f 油锄c eo ft h ep u m p ，t h er e s e a r c ht 0i th a v eh i g l ls i 鲥f i c 锄c e t h es t a t o ri n l p e u e r0 fg 勰- 0 i lm u l t i p h a s ct m s p ( n a t i o np u m pi st h eo n eo fb a s i cu n i tt 。t _ h c s t a t o ri m p c u c rt i 孤s l a t 髓l 【i n e t i c 如e r g ym o p r e s s i l r c 明e r g y t 0s c h c m e th i g h l ye f f i c i 蛐t 锄ds t a b i l em u l t i p h a s ep u m pw 油懿c e l l e n tc a p a b i l i t y t h ek e yi st h ed c s i 印0 fw h i r l yi m p e l l e r 姐ds t a t o ri m p e u e lh i g he 伍c i e n c yi m p e l l e r 啪b cd e s i 印e db ys t u d ) r i n gt h ei n t e r i o rn o w 丘c l d0 fi n l i ，e u e r 卸df i n d i n g 伽tt h el a wi ni t ，a c c o r d i n gt 0w h i c hl l i g l l l yc f f i c i ti i n p c l l e f b c i n g0 p t i m i z e d 凼p a p p c rr c s e a r c he j 8 f 融o ft h es t a t o ri m p e l l c f g a s - 0 nm u l t i p h a s e 仃卸s p ) n a t i 仰p u m p i n n 盯n o w ，1 1 l i st h e s i ss t a n sw i t ht h es t a t o rm p e l l e ro fy q h 一1 0 0o i l - g 弱m u l t i p h 弱et m s p o n a t i o n p i 蛐p a c c i d r d i n gt 0c h 卸g c 、) i r r a p ，肌m b e 砖o ft h el a m i 腑锄dt h ea e r o f o n k t ，y q h - 1 0 0 i m p e u 盯i sf i n a l0 p t i i z e di nb 0 也a i rc o m p 嘲s o ra n d 触i a lp u m p 锕os i d e s 嬲：0 r d i n gt o a _ b o v c 曩懿u l t s ，姐db e n 盱d e s i 印i sw o r k e d 伽tt h 缸b e f 0 】他 1 1 1 i sd e s i 印惦e sp r o j et 0b u i l dt h r c e d i m e n s i o n a lm o d e l 卸d 址i b r i t op l o tm e s h ，姐d t h cm o d e l i ss i m u l a t e d ，柚a 1 ) r z e d 姐dd m 、釉s t a t i d ri m p e l l c rc 印a b i l i t yp i c t u 心b yf i j 厄n tt 0 妇诋删c a p a b i l j t y b y 觚a l y z i n gt h ev e l o d t yn o wd r a w i n g 、p r c 豁u 他出：1 w i n g 、t h e v o l u m cd 阳w i n g 觚d 0 n ，t h es t m c t i l 坞o ft h ec o m p r e 豁e ds t a g e0 ft h em u l t i p h a t m 叩r t a t i o np u m pi s s t i l d i e d 觚d 痂吣t h cm o 百c a l i t yo ft h cd e s i g n ，t h e n 锄e n dt h e m o g i c a l i t yo f d e s i 孕t h es t a t o ri m p c l l e r h 弱l o n g - 一s h o nb l a d 镐i tc 纽m i i l i s he d d y 觚d w c a 】【e nt h e g 嬲一l i q u i ds e p a r a t i n g i nc h a 皿e l ，a d v 加c et h e e 衢c i e n c y o fm u l t i p h 舔e t m s p o n a t i 佃p u m p n j sp 砌v e nb y 陀s u l t st h a tt h e 坞a r ci m p r o v e m 衄t0 fm u l t i p h a p u m pi n e 珩d e n c y ，e 伍c i e n c y0 fs t a t o ri m p e l l e r 觚dt h e r ei sp r o m i n e n te 虢c tt h r o u g l ld e s i 萨，w l l i c h o f i e i su s e l ld a t at of u r t h e rw o r k k e yw o r d s ：m u m p h a 靶t m n s p o n a o np u m p ；s 纽t o ri m p e l l e r ；n u m e r i 明ls i m u i a t i o n ； n o w 矗e l d 卸a l y s i s ：t h ev o l u m ef h c o n ； 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：奄刁g 至 日期：d 子年么月，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： 岔怡五 鲚耋 日期：留年6 月亿日 日期：啮年6月，7 日 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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：日期：年月 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，同意学 校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。 本学位论文属于 1 、保密在j 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月 日 年月日 硕士学位论文 1 1 问题的提出 第l 章绪论 随着工业化进程不断深入，世界经济对石油天然气等基础能源的依赖更加强烈。 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。油气集输是指石油和天然气从 井口出来后用入为的方法把它们集合和输送，是石油天然气开采工艺中的一个重要组成 部分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。油气 混输泵作为油田中多相输送的主要工具，不但可以提高已开发油田的产量，简化生产设 备，而且可以减低新开发油田的工程投资，因此，对油气混输泵的研究也越来越受到人 们的重视，成为当前多相输送研究的热点。而叶轮作为混输泵的核心过流部件之一，对 泵的性能有着很大的影响，对它进行研究，更有着重要的意义。从工艺上可分为石油 天然气分别集输和混合集输两大类，如图1 1 所示 一靠油井自身爪力混输 一单井油气混输泵混输 图1 1 图1 1 中虚线和粗实线是石油和天然气分别集输，细实线是石油和天然气混合集输， 当然这仅仅是油气混输工艺中的一种，即油气单管密闭输送它省去了计量站、双管变 单管，从而大大减少了油气中轻质镏分的损耗，缩短了油田建设的周期，比较经济。这种 混输工艺始于6 0 年代，由此提出了油气混输泵的技术n 1 常规的叶片泵都受输送中介质含气量的限制，以离心泵为例，当介质中气体的含量 超过4 时，通常会引起扬程、效率的显著下降，进一步增大含气量，泵将丧失其工作能 力，进入不能工作的状态。究其原因，主要是由于当介质流过叶轮时，气液两相分离， 气相聚集在叶轮中或进口附近的低压区内形成死区，对流道产生强烈的排挤作用，从而 轴流式多相泵静叶的流场分析和数值模拟 使通过叶轮的介质流速进一步增加，死区进一步扩展，最终流道完全被气相所填充，泵 就失去了工作能力。 相比之下，轴流泵是一种高比转数水泵，其特点是流量大，扬程低，主要用于农田 捧灌、防洪排涝、城市给水排水和跨流域调水工程1 2 】。提高叶片泵输送介质气液比和泵 的效率的关键在于有效的防止相态分离。与径流泵相比，轴流泵中发生相态分离的可能 性比较小，更适于多相输送，是目前叶片式多相泵发展的方向。 。 几十年来对油气混输泵的研究开发一直是发达国家热门的课题，特别是最近十多年 来，如美国、英国、德国、日本、俄罗斯、中国等国家更是投巨资加以研究开发，少数国 家已有产品出口我国正在追赶这一技术【鲫 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，要求混输设备一一轴流 混输泵同时兼有泵和压缩机的性能【4 】【5 】1 6 】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。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。 1 2 国内外研究现状及发展 国内外现有产品的状况如下表 。 表1 1 对油气混输泵进行研究的内容及方向 一台油气混输泵从性能上主要可用三个指标来衡量：一是压力，二是油气比适用范围， 三是效率如果三个指标都高，性能就越好 表1 2 列出目前研究的程度及存在的问题。著名的海神工程始于1 9 8 4 年，由法国 石油研究总院( i f p ) 、法国石油公司( t o t a l ) 、挪威石油公司( s t a t o i l ) 三方合作， 投入巨额资金( 2 0 0 0 万英镑) ，旨在研究海底混输站的一项规模宏大的研究计划。其 中最主要的研究课题之一是泵站的关键设备一多相混输泵m 。 硕士学位论文 9 0 年代以来，国内也开始进行这方面的工作。国内厂家仿制、开发的产品也相继在 油田中开始使用。由北京石油大学利用自身优势对螺旋轴流式多相泵进行了开创性的研 究工作，取得了阶段性的研究成果。其理论研究与设计方法的探讨都已接近国际水平， 工业应用正在进行中刚。 国内外两相流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，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，改进叶轮的设计，并开展对其内部流动及设计方法的研 究 嗣帕t 臌点 压为矗( 呵选岱拗x l 们时 效率矗( 2 0 一鞠旧 臻黛呵鼍：尢 缱悔一摹 聃压力融稿气比帕崩大稠赡步，囊气比矗眯 一般t 1 忤辫析研发壤太。怕修予 加工愤虚矗，露专煅帆席，倩协鼻 叩o ( 高应变率区) 时，c 。z c ，：， r n gk - e 模型比标准k e 模型所得的湍流涡团粘性低。由于i 心mk e 模型考虑了高应 变率或大曲率过流面等因素的影响，从而提高了模型在旋流和大曲率情况下的精度【堋。 2 6 3 r e a i z a b iek c 模型 标准k e 模型存在两大缺陷，其一是当主流应变率较大时，模型在物理上成为不可 实现的( n i d n 托a l i z a b l e ) ；其二是它的湍流耗散率e 的输运方程模化过于粗糙，在某些情 况下不能给出合理的湍流尺度。由于上述缺陷，标准k e 模型对具有较高主流剪切率和 较大曲率的壁面或有流动分离的情况的数值模拟往往失败。 鉴于此，t s 觚- h 幽gs l l j h ，w ：i l l i 锄wi j o u 等在1 9 9 5 年提出的r e a u z a b l ek - e 模型从 另一个角度对标准k - e 模型进行了修正【矧得出湍动能k 和耗散率e 的输运方程为： p 尝- 毒【似+ 尝，善卜q + 瓯一胪 c 2 m ， p 告一号 c + 尝，考卜胪渺+ 心：丢+ c - 昙c ，q c 2 捌 其中，g b 为与浮力有关的湍动能生成项， c l = m 醒【o 4 3 ，r l 】( 2 2 3 ) 叩。鼹，占( 2 2 4 ) 以- 心- l( 2 2 5 ) q 。丢墨4 + 4 ( 2 2 6 ) 修正后的k 和e 的输运方程与标准k e 模型相比具有明显的两点不同，一是对湍流耗散 率的输运方程进行了大幅度的改造，采用了新的模化方法：二是c 。不再是常数而是 变量，采用了新的涡粘公式，使雷诺主应力和切应力满足可实现性条件r e a u z a b l ek e 模型的模型常数为： c 1 = 1 4 4 ，c 2 = 1 9 ，吼= 1 0 ，= 1 2 r e a l 讫a b l ck e 模型己被有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、 包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动等【埘。 通过以上分析，对于本课题计算的多相轴流泵，由于它转速较高，易出现强旋度及 旋转剪切流等现象，通过上述对湍流模型的介绍，可知r n gk 一湍流模型可以更好的 硕士学位论文 处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，所以这里就选择i 心旧k e 湍流模型来做模 拟，能更贴近实际的流体流动情况。 1， 2 7c f d 的基本过程 ， c f d 的整个过程可以用流程图2 2 来表示1 1 8 1 图2 2c f d 工作流程图 一般的c m 的求解过程可以用流程图2 2 表示，如果求解的问题是瞬态问题，则可 将这个图理解为一个时间步的计算过程，循环这一过程求解下个时间步的解。 下面根据流程图2 2 来进行设置 2 7 1 建立控制方程 建立控制方程，是求解任何问题前都必须首先进行的。在这里研究的是两相流的问 轴流式多相泵静叶的流场分析和数值模拟 题，所以涉及到的控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程。这里研究的是 湍流运动，所以还要考虑湍流的控制方程。在2 6 中通过对湍流数值模拟的介绍，已经 选定了r n gk e 模型做湍流的控制方程，考虑5 0 以上含气率时压缩性，多相流模 型选择m i 】【嘶模型。 2 7 2 确定边界条件与初始条件 由于计算时已知的条件只有进出口静压力和流量，因此利用一维流动理论计算出 进出口轴面速度以及动压力，然后定义计算域进出口分别为速度进口、压力出口边界。 静叶叶片设为壁面边界，静叶轮毂、轮缘也是壁面边界则上述的壁面边界构成一 个整体的壁面边界。 湍流模型则选择高雷诺数的r n gl 【一e 紊流模型，它的传输方程在2 6 以介绍过在 此不再重复。 2 7 3 划分计算网格 采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然 后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。 在这里使用g a n l b i t 对模型进行网格的划分，g 锄b i t 可以对模型的不同区域划分不同 大小的网格，这对于计算是有好处的，可以选择需要重点分析的地方进行网格的加密。 2 7 4 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解( 或称为精确解或解析解) 的。但这需要通过数值方法把计算域内有限数量位置( 网格节点或网格中心点) 上的因 变量值当做基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过 求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值 来确定。 ， 由于所引入的因变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同，就形成 了有限差分法、有限元体积法、有限元法等不同类型的离散化方法 这里采用的c f d 计算软件n u e n t 也是采用的有限体积法来离散的。 2 7 5 离散初始条件和边界条件 前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，如在静止的壁面上速度为o ，现在 需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，这