朱建軍 李圓圓 姬煜晨 彭建霖 張永學(xué) 朱海文

（1.中國石油大學(xué)（北京）機械與儲運工程學(xué)院；2.中海油研究總院；3.塔爾薩大學(xué)石油工程系）

離心泵是一種應(yīng)用廣泛的通用機械，通常被設(shè)計為輸送液體。 它是石油、化工、核電及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域極其重要的動力設(shè)備［1］。在不同應(yīng)用場景中，自由氣體的侵入或夾帶會導(dǎo)致離心泵葉輪中氣液兩相流動分離和流型轉(zhuǎn)變，進(jìn)而引起額外水力損失，表現(xiàn)為揚程和效率降低。 更嚴(yán)重地，氣相在旋轉(zhuǎn)葉輪高剪切流場中富集，極易導(dǎo)致液相流量降低， 形成 “氣鎖”（即葉輪流道被氣相完全占據(jù)），造成離心泵輸送系統(tǒng)無法挽回的損失。

近年來，已有學(xué)者對離心泵氣液兩相流開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)氣液兩相流造成離心泵增壓性能損失是由于旋轉(zhuǎn)葉輪高剪切流場中氣泡運動誘發(fā)氣液兩相流型轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的［2］。因此，旋轉(zhuǎn)葉輪高剪切流場內(nèi)氣液兩相流型識別對于離心泵氣液混輸至關(guān)重要。 一方面，氣體在葉輪局部富集直接減小了氣液混合流體密度［3］，降低了離心泵進(jìn)出口壓差［4］；另一方面，在進(jìn)口含氣量較高工況下，氣液兩相分布容易誘發(fā)離心泵喘振［5］和“氣鎖”效應(yīng)，進(jìn)一步惡化離心泵氣液兩相混輸性能［6］。 喘振能夠?qū)е氯~輪異常振動并減少設(shè)備運行壽命，而氣鎖則嚴(yán)重限制了離心泵內(nèi)液相流道的面積和流量，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。

為了進(jìn)一步揭示葉輪內(nèi)氣液兩相流型規(guī)律和轉(zhuǎn)化機制， 國內(nèi)外學(xué)者開展了可視化實驗研究，直接觀測了離心泵高剪切流場中氣泡運動軌跡和規(guī)律。 Murakami M 和Minemura K 首次提出使用帶有透明有機玻璃泵殼半開式葉輪模型泵，采用攝影方法記錄葉輪中的氣液兩相流型并測量了氣泡直徑［7］。Patel B R 和Jr P W R 觀察到葉輪流道內(nèi)存在兩種流型，低含氣率時為孤立氣泡流，較高含氣率時氣泡開始聚集，在葉輪入口處形成較大的滯留氣泡［8］。Thum D 等在可視化實驗泵的后蓋板上安裝了發(fā)光二極管，以便于同步觀察葉輪內(nèi)的流場［9］。 李重慶和邵春雷研究了可視化低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)部氣液兩相流動的流型和氣泡直徑的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了4 種流型（泡狀流、聚合泡狀流、氣團(tuán)流與分層流），提出不同含氣率會導(dǎo)致不同氣泡直徑的分布，為采用最大氣泡直徑劃分流型的方法提供了思路［10］。 張振鐸利用高速攝像系統(tǒng)對離心泵進(jìn)行全流道可視化實驗［11］。觀察到隨著葉輪入口體積含氣率的增加，氣體占據(jù)葉輪流道的有效面積增加，氣泡尺寸逐漸增加且形態(tài)發(fā)生變化，最終滯留的氣泡造成葉輪內(nèi)的流型發(fā)生變化。

由于直接觀察法在流型轉(zhuǎn)變邊界處受人的主觀因素影響，一些間接流態(tài)觀察和測量氣相分布情況的方法已經(jīng)被應(yīng)用。 Elperin T 和Klochko M 提出對差壓波動信號進(jìn)行小波變換的分析方法和應(yīng)用于兩相流在線流型辨識體系的小波方差向量的概念，通過被測信號的小波譜表征不同流型的特征［12］。 Sc?hfer 采用基于伽馬射線的CT成像技術(shù)對旋轉(zhuǎn)葉輪軸向剖面進(jìn)行多層高速掃描， 并通過時均旋轉(zhuǎn)同步圖像處理方法獲得離心泵內(nèi)氣相分布和體含氣率（αG）等重要參數(shù)。 但這種方法涉及復(fù)雜、 昂貴的儀器， 難以實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用。此外，可以通過識別離心泵性能曲線拐點實現(xiàn)流型識別。 Gamboa J 首次提出該間接方法，也擬合相關(guān)經(jīng)驗式來預(yù)測電潛泵流型轉(zhuǎn)化邊界［13］。 作為識別電潛泵兩相流型新思路， 該方法顯著降低了流型識別的復(fù)雜性和難度， 為預(yù)測氣液兩相流條件下電潛泵不穩(wěn)定運行提供了可靠數(shù)據(jù)分析方法。 但此方法在前人的研究中只被應(yīng)用于高比轉(zhuǎn)速電潛泵中， 且只對額定工況下的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證， 對超低比轉(zhuǎn)速離心泵在全工況下的適用性有待考證。因此，本研究將對該方法展開全工況下的實驗驗證。通過檢測離心泵的性能特性曲線，間接獲得氣液兩相流型的過渡邊界。 結(jié)合高速攝像機拍攝到的半開式可視化離心泵內(nèi)葉輪流道的氣液兩相流場圖像， 與間接獲得的旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)兩相流型進(jìn)行對比，驗證此方法的可行性。

1 實驗研究

筆者擬開展低比轉(zhuǎn)速離心泵氣液兩相流水力性能測試。 實驗臺包含封閉的水流管路和開放的氣流管路，布局示意如圖1 所示，其中藍(lán)/綠色實線為氣液流管道，黃色實線為混合管道。 線上的箭頭表示流體或信號的流動方向。 首先，液體從水箱中流出， 經(jīng)過電動蝶閥和超聲波流量計，達(dá)到可視化離心泵進(jìn)口管道入口。 隨后，氣體被額定壓力為0.15 MPa 的壓縮機壓縮，并存放在儲罐中，以保證氣流穩(wěn)定，實現(xiàn)持續(xù)供應(yīng)，減少上游氣體流動的不均勻性。 測量氣體流速后，在離心泵之前完成氣液兩相混合， 然后進(jìn)入離心泵加壓。 混合物被送到調(diào)壓室，水在液體循環(huán)管線中再循環(huán)，然后空氣從水箱頂部因重力釋放。

圖1 離心泵兩相流實驗裝置圖

所有儀器都已連接到通過NI Labview 圖形編程語言開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 氣液流量、進(jìn)出口壓力、轉(zhuǎn)速及扭矩等信號被實時監(jiān)測。 實驗開始前根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)界面來調(diào)節(jié)所需工況。 旋轉(zhuǎn)離心泵內(nèi)部氣液兩相流從氣體進(jìn)入葉輪30 s 后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時開始對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測并儲存5～7 s。 將儲存實驗數(shù)據(jù)中各項參數(shù)做均值處理，得到最終所需實驗數(shù)據(jù)［14］。

在離心泵兩相流的實驗中，成功拍攝到清晰度較高的氣泡圖像是至關(guān)重要的。 筆者采用高速攝像機捕捉高速旋轉(zhuǎn)流場內(nèi)氣液兩相的流動形式。 由于測試空間的限制，離心泵被分為4 個區(qū)域（圖2），選擇區(qū)域B 作為可視化窗口。對于單流道可視化來說，可以直接觀察到旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)部的流型轉(zhuǎn)變，進(jìn)而可以清楚地研究高剪切離心流場中氣泡的動力學(xué)行為。

圖2 離心泵葉輪流道可視化觀測裝置圖

2 實驗結(jié)果分析

2.1 性能測試

圖3 給出了不同轉(zhuǎn)速N 下離心泵增壓壓力隨進(jìn)口液流的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，隨著進(jìn)口液體流量的不斷增大， 離心泵的增壓能力呈先增大后減小的趨勢。 且每條測試曲線都出現(xiàn)一個峰值，即離心泵增壓性能的最佳工況點。在最佳工況點右側(cè)， 即高流量下離心泵的增壓性能與介質(zhì)為水時的性能接近。 且含氣率越高對離心泵的增壓能力影響越大。 進(jìn)口含氣率（IGVF）為6.2%時，在低流量下的離心泵增壓能力受到了嚴(yán)重破壞。

圖3 離心泵H-Q 性能曲線圖

對比單相液體流動發(fā)現(xiàn)，只有在液體流量較高時，氣液兩相流動下離心泵的增壓能力與單相時的接近。 且進(jìn)口含氣率越低，與單相流動時的增壓性能越接近。 隨著液體流量的減小，在達(dá)到最佳工況點后， 離心泵含氣流動的性能崩潰，與單相流動下的性能呈相反趨勢。

2.2 流型識別

如圖4 所示為額定工況 （QL=6.25 m3/h，N=1450 r/min） 下進(jìn)口含氣率分別為0.5%、4.0%和6.2%時，葉輪內(nèi)的兩相流場分布情況。 當(dāng)進(jìn)口含氣率為0.5%時（圖4a），葉輪內(nèi)氣泡沒有聚集，只有少部分孤立氣泡在葉輪入口處碰撞、 破碎、聚集成較大氣泡，此時葉輪內(nèi)為泡狀流型，氣泡會在離心力的作用下隨著液體流入蝸殼；隨著進(jìn)口含氣率的增大，葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)白色氣團(tuán)聚集區(qū)域，此時葉輪內(nèi)的流型為氣囊流（圖4b），氣團(tuán)穩(wěn)定存在， 且從葉片壓力側(cè)向葉片壓力側(cè)移動，可以通過圖4b（IGVF=4.0%）看到，氣液界面變形強烈造成流動不穩(wěn)定，白色氣團(tuán)尾部有大量分散氣泡存在，這些小氣泡是由于白色氣團(tuán)受到剪切力和離心力的作用而分離出來的，它們一部分隨著液體進(jìn)入蝸殼， 另一部分在流道內(nèi)形成回流區(qū)域，進(jìn)入蝸殼的氣泡也有一部分回流到了葉輪流道內(nèi)； 圖4c 為進(jìn)口含氣率為6.2%時葉輪內(nèi)的流場分布，氣液兩相完全分離，在葉輪出口處形成一個白色氣環(huán)，此時一部分流入蝸殼的氣泡也在蝸舌處發(fā)生回流，只有小部分氣泡流進(jìn)蝸殼后排出，離心泵出現(xiàn)氣鎖現(xiàn)象，此時泵的進(jìn)出口壓差近似為零。

圖4 離心泵葉輪流道在不同進(jìn)口含氣率下的流型

2.3 喘振測試及流型轉(zhuǎn)變

隨著葉輪轉(zhuǎn)速N 的變化，對應(yīng)的離心泵最佳工況點QBEP也不同。 但為了方便比較，實驗時以設(shè)計工況點的液體流量QL為參考， 取不同的液體流量作為喘振測試的液體流量。 本研究在進(jìn)口液體流量為0.6QBEP、0.8QBEP、1.0QBEP、1.2QBEP下，對不同轉(zhuǎn)速下的離心泵進(jìn)行了喘振實驗，結(jié)果如圖5 所示。隨著進(jìn)口含氣率的增加，泵進(jìn)出口壓差逐漸減小。 低進(jìn)口含氣率時，泵性能下降速率較小；當(dāng)進(jìn)口含氣率高于某一臨界點時，泵壓降突然下降，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，產(chǎn)生強烈的振動和噪聲。 隨著進(jìn)口含氣率的不斷增加，泵壓差下降速率逐漸減緩。 當(dāng)內(nèi)部流動穩(wěn)定時，壓降速率趨于恒定，泵性能穩(wěn)定下降，直至泵增壓性能再次崩潰，出現(xiàn)氣鎖現(xiàn)象。

結(jié)合高速攝像機拍攝到的葉輪內(nèi)流場圖像，對不同轉(zhuǎn)速下的離心泵性能曲線做了流型劃分。圖5 中黑色虛線為流型轉(zhuǎn)變邊界線。 將流型圖分為3 個區(qū)域，泡狀流、氣囊流與氣液分離流。 從圖中可以看到， 無論是額定工況還是非額定工況，離心泵喘振實驗性能曲線的兩個拐點與流型轉(zhuǎn)變點均吻合。 也就是說，離心泵曲線的兩個拐點在全工況下均可作為流型轉(zhuǎn)變點。 這同樣驗證了Gambo J 提出的流型識別方法的可行性。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下離心泵喘振實驗及流型轉(zhuǎn)化邊界圖

2.4 流型圖

通過實驗測試獲得H-Q性能曲線的拐點特征，可以間接識別出旋轉(zhuǎn)離心泵內(nèi)部的流型過渡邊界，并由此可以總結(jié)出離心泵葉輪內(nèi)氣液兩相流型圖。 如圖6 所示，彩色點標(biāo)記了不同流型，分別為泡狀流、氣囊流與氣液分離流；藍(lán)色實線與紅色實線分別為泡狀流與氣囊流的轉(zhuǎn)變邊界和氣囊流與氣液分離流的轉(zhuǎn)變邊界。 值得注意的是，圖6 中所有流型都是通過識別圖3、5 中實驗測量的離心泵性能曲線拐點特征獲得的。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下離心泵葉輪內(nèi)氣液流型圖

圖6a 對應(yīng)離心泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min 下氣液兩相流型圖。 由圖可見， 進(jìn)口含氣率較低時（IGVF=2.0%），泡狀流占流型圖的主要部分［15］，且沒有氣液分離流出現(xiàn)。 隨著進(jìn)口含氣率增大到4.0%，氣囊流占主要部分，且低液體流量處出現(xiàn)氣液分離流。 當(dāng)進(jìn)口含氣率增大到6.2%時，氣液分離流區(qū)域增大，高液體流量處泡狀流區(qū)域減小。同時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速越高，泡狀流區(qū)域越大。 這可能是因為轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，導(dǎo)致大氣泡或氣團(tuán)破碎成較小氣泡后流入蝸殼。 與圖6a 類似，圖6b、c分別展示了離心泵轉(zhuǎn)速為1 305、1 160 r/min時葉輪內(nèi)氣液兩相流型圖。 隨著葉輪轉(zhuǎn)速的降低，在氣體流量較低或液體流量較高時，容易提前觸發(fā)泡狀流向氣囊流或氣囊流向氣液分離流的流型轉(zhuǎn)變，表明離心泵內(nèi)部的氣體處理能力隨著泵轉(zhuǎn)速的降低而下降。 文中獲得的旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)氣液兩相流型圖對識別離心泵現(xiàn)場應(yīng)用中需避免的不穩(wěn)定極端工況具有重要的實用價值。

3 結(jié)論

3.1 通過高速攝像機拍攝到葉輪流道內(nèi)存在3種流型。 在進(jìn)口含氣率較低時，流道內(nèi)呈泡狀流型，氣泡不會在葉輪內(nèi)滯留；隨著進(jìn)口含氣率增加，氣泡在流道內(nèi)碰撞、破碎，積聚而呈氣囊流型；當(dāng)進(jìn)口含氣率較高時，氣體占據(jù)流道大部分流動面積，在離心力和曳力的作用下，氣液兩相分離，呈氣液分離流型。

3.2 結(jié)合拍攝到的葉輪流場快照，對比間接獲得的流型轉(zhuǎn)變邊界，驗證了通過離心泵性能曲線拐點特征的流型識別方法。 在喘振實驗性能曲線的兩個拐點在全工況下均與流型轉(zhuǎn)變點吻合。

3.3 通過喘振測試實驗和性能測試實驗，繪制出了不同轉(zhuǎn)速下的流型圖，并劃分了不同流型的轉(zhuǎn)變邊界。