史廣泰，劉宗庫*，王彬鑫

(1. 西華大學(xué)流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039； 2. 西華大學(xué)能源與動力工程學(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特的優(yōu)勢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，并且進一步演變?yōu)槿~頂泄漏渦[5-6].葉頂泄漏流和泄漏渦對泵性能影響較大，如降低揚程和效率，產(chǎn)生噪聲和振動從而可能誘發(fā)安全事故[7-8].

基于上述問題，國內(nèi)外許多學(xué)者針對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多相混輸泵流動特性的影響，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.SHI等[10-11]利用ANSYS CFX軟件研究了混輸泵內(nèi)葉頂泄漏渦運行軌跡和動力學(xué)特征，同時也揭示了含氣率對葉頂泄漏渦的影響.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，對軸流泵全流場進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙的增加，渦核起點沿著葉片骨線從前緣向后緣移動，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軟件對一臺比轉(zhuǎn)數(shù)為149的混輸泵進行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)在大流量時葉頂間隙對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重.葉頂間隙流動的研究除了在泵中展開外，許多學(xué)者在風機、泵作透平、水輪機等其他葉輪機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)流體機械中，而對于兩相介質(zhì)的研究還不充分，且有待進一步探究.與此同時，在深海油氣開發(fā)過程中，不可避免會涉及兩相，甚至是多相介質(zhì)，其中兩相又是研究多相的一個前提和基礎(chǔ).因此開展兩相介質(zhì)下的葉頂間隙流動具有緊迫性和現(xiàn)實性.文中在進口含氣率為10%條件下，研究葉頂間隙對多相混輸泵內(nèi)流動特性的影響，進而揭示兩相流動規(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

本次研究對象為六級多相混輸泵的單個增壓單元，其主要設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)計流量Q=100 m3/h，設(shè)計轉(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)值計算中為了讓流動更加充分，在葉輪進口和導(dǎo)葉出口進行適當延長.

圖1 數(shù)值計算模型

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，整個計算域均采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化網(wǎng)格.進口和出口延長段在ICEM中進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，而葉輪和導(dǎo)葉在Turbo Grid中劃分網(wǎng)格，并對間隙處網(wǎng)格進行加密，進而準確捕捉流動.經(jīng)過檢驗，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軟件對混輸泵內(nèi)流動進行數(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，進口為速度進口，出口壓力為0.608 MPa.動靜交接面之間采用“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，揚程總體呈現(xiàn)下降趨勢，并且葉頂間隙對揚程的影響較大.由圖4b可知，當無葉頂間隙時，混輸泵的最高效率點效率為70%左右；而葉頂間隙為0.5 mm時，效率則降低至57%左右；當葉頂間隙進一步增加至1.5 mm時，最高效率點效率僅在39%左右，由此可見，葉頂間隙雖小，但是對混輸泵的效率影響卻較大.綜合圖4可知，為了讓泵高效運行，在設(shè)計中應(yīng)對葉頂間隙值進行進一步優(yōu)化.

圖4 含氣率10%時混輸泵外特性

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，導(dǎo)葉內(nèi)的旋渦逐漸減少.在葉輪內(nèi)，當無葉頂間隙時，在1.0Q時，葉輪內(nèi)流態(tài)較穩(wěn)定，而在0.8Q和1.2Q時，在葉輪進口壓力面附近均出現(xiàn)了少量旋渦.當葉輪內(nèi)存在葉頂間隙時，在1.2Q時，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分離越明顯.

圖5 不同流量下含氣率為10%時混輸泵0.5倍葉高處流線分布

3.3 葉頂間隙對增壓單元內(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，葉輪葉片進口附近低壓區(qū)占比明顯減少，并且在輪緣附近增壓單元內(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，當存在葉頂間隙時，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，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%時增壓單元周向壓力分布

圖7為混輸泵增壓單元內(nèi)軸向壓力p分布.由圖可知，葉頂間隙對葉輪內(nèi)壓力的影響比導(dǎo)葉更明顯.這時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，由于受葉頂間隙的影響，壓力變化趨勢也有所不同.當葉頂間隙增加時，泵進出口壓差隨之減小，同時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉壓力沿著軸向略有增加.

圖7 含氣率為10%時軸向壓力

3.4 葉頂間隙對增壓單元內(nèi)速度分布的影響

圖8為入口含氣率10%時泵增壓單元內(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，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)位置沿著流動方向逐漸后移.而當r*=0.9時，葉輪葉片吸力面高速區(qū)逐漸向葉片后緣移動，并且導(dǎo)葉內(nèi)低速區(qū)占比與r*=0.1和r*=0.5時相比明顯較小.

圖8 含氣率10%時增壓單元周向液相速度

3.5 增壓單元內(nèi)氣相分布

圖9為入口含氣率10%時泵增壓單元子午面內(nèi)氣相體積分數(shù)φ分布.由圖可知，相比葉頂間隙工況而言，無葉頂間隙時，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.當存在葉頂間隙時，葉輪輪轂氣相聚集得到了改善，并在葉輪處進口氣體體積分數(shù)較低.導(dǎo)葉輪轂氣相體積分數(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，同時氣相聚集點向下游轉(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，同時還可以降低導(dǎo)葉內(nèi)氣體的聚集程度.

圖9 含氣率10%時子午面氣相分布

圖10為入口含氣率10%時增壓單元內(nèi)軸向氣體分布.由圖可知，不存在葉頂間隙時，葉輪內(nèi)氣相體積分數(shù)在軸向0.25位置達到最大值，大約為19%.隨著葉頂間隙的不斷增加，葉輪進口到出口氣相體積總體上呈增加趨勢，但是只在10%附近波動.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)氣相體積分數(shù)峰值大于葉輪內(nèi)的氣相體積分數(shù)峰值.

圖10 含氣率10%時軸向氣相分布

為了進一步分析不同葉頂間隙時葉頂間隙內(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

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，并且在剛進入葉頂時形成了葉頂分離渦，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

在進口含氣率為10%條件下研究了葉頂間隙對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，葉輪葉片進口附近低壓區(qū)占比明顯減小，并且葉輪進出口壓差也逐漸減小.同時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，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，導(dǎo)葉內(nèi)氣相體積分數(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，導(dǎo)葉輪轂氣相聚集位置沿著流動方向向下游移動.