1、液压气动与密封年第期 螺旋轴流式多相流泵内流场可视化测试权 辉，宋 凯，李雅楠，吴永康（兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州）摘 要：螺旋轴流式多相流泵适用于输送气液两相流介质，由于两相介质的密度不同，运动轨迹也不相同，气体以气泡的形式流动，在流动过程中大小和形态的转变可直观反映泵内流体参数的变化，通过设计试验系统观测以及数值模拟的两种方式结合对气泡轨迹进行研究。结果表明：在转速低于 时，气泡在叶轮叶片骨线 处体积达到最大，与压力面接触破碎向吸力面运动，在导叶内气泡自身能量不足开始逆压力梯度回流，两相流通流情况差；转速高于 时，叶轮内气泡数量增多、尺寸减小，开始出现叶顶间隙回流且强度不
2、断增加，跨流道运动强度也逐渐增加，在叶顶间隙有明显的气泡冲撞并有叶顶间隙涡的形成，导叶内气泡的气泡跨流道运动导致在其出口尾缘出现气体涡旋，随转速的增加所占流道面积增大，阻碍两相流通流。关键词：螺旋轴流式多相流泵；数值模拟；气液两相流；低含气率；气泡中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）o o o o o ，Y，Ygkg（oo o o，o o oo，o，）：o o o o o o o o o oo o，o o o，o o o ，o o o o oo，o o o o oo o ，o o o o，o o o o o o o oo；，o ，o o ，o o o o o oo oo o o，o o o
3、 o o o o o，o o o oo，o o o：o o；o；o o；o o；收稿日期：作者简介：权辉（），男，甘肃庆阳人，教授，博士，研究方向：水力机械多相流理论及应用。引言螺旋轴流式多相流泵属于叶片式泵的范畴，却又不同于传统的水力机械，因为其同时具备了泵和压缩机的功能，能够更加高效的同时开采油气资源而不是分别两相介质导致成本增加。其主要过流部件是由叶轮和导叶组成的压缩单元，轴流式叶轮高速旋转将气液两相介质输送到导叶内，通过导叶的整流将两相介质输送到下一级压缩单元或是出口段，图 是单个压缩单元的结构示意图。图 单个压缩单元结构示意图由于两相介质的密度不同，其在流道内的运动形式不同，气体主要
4、以气泡的形式运动，且气泡与气泡之间存在聚合或者是大气泡破碎的情况，这是泵内流结 o构研究的一大难点。近年来，李清平等研究了叶片进口冲角对叶轮翼型表面压力分布的影响，并建立了气泡在任意流场中的运动方程，并对气泡在离心式叶轮及螺旋轴流式叶轮内的运动轨迹、受力等进行了数值分析，结果表明气泡通过离心式叶轮的吸力面和压力面的时间相差较多，极易造成两相分离，而螺旋轴流式叶轮气泡通流时间不受气泡直径和初始位置的影响。庞春波和袁寿其研究了气泡在横流中的几何及动力学特性，对气泡的形态、受力、轨迹以及脱离频率等进行了分析，得到了气泡的速度与当量直径的线性关系，将气泡纵横比与韦伯数相关联。谢聪等研究了两相流离心泵内
5、的气泡分布规律以及气泡大小对数值模拟的影响，结果表明气泡直径对泵内气相的集聚和分布范围有影响，气泡直径越大，气相越容易聚集成高浓度分布。余志毅则利用了双流体模型，建立了叶片式螺旋轴流式多相流泵叶轮处气液两相三维湍流流场的数学模型，研究分析了多相泵中相间力的关系，以及其螺旋轴流式多相流泵性能影响。史广泰基于 数值模拟方法，在纯水和气液两相条件下对叶轮叶片压力面和吸力面之间的压差进行了分析，表明压差大的区域主要集中在叶轮前半段。韩国的苏俊元等主要开发用于模拟多相泵的数学模型，基于三维稳定和不稳定的雷诺兹平均纳维耶斯托克斯方程的先进计算流体动力学被解决，以分析各种 的详细动态流动现象，研究了气相气泡
6、的直径对液压性能的影响。螺旋轴流式多相流泵内流结构的复杂性，需要依靠数值模拟以及试验观测结合才能得到较为完整的研究结论，因此本文从以上角度出发，研究低含气率下螺旋轴流式多相流泵内气泡轨迹及其形态变化，得到具有普适性的气液分布规律。模型建立与数值方法1.1 模型建立本文研究的螺旋轴流式多相流泵，其设计参数分别为流量 、扬程 、额定转速 、水力效率。该泵的水力几何参数如表 所示，叶轮与导叶的水力设计如图 所示。使用 o 软件对多相流泵进行三维建模。1.2 模型建立本文主要对单级的螺旋轴流式多相流泵进行研究，为使进出口流体的流态更加稳定，将单个压缩单元的进出口段进行延伸，通过对上文水力模型的建模，得
7、到本文的研究对象如图 所示。表 混输泵水力几何参数叶轮水力几何参数导叶水力几何参数叶轮外径 叶轮外径 叶轮轴向长度 叶轮轴向长度 叶轮叶片数 叶轮叶片数 叶轮进口安放角 （）叶轮进口安放角 （）叶轮出口安放角 （）叶轮出口安放角 （）轮毂半锥角 （）轮毂半锥角 （）图 螺旋轴流式多相流泵水力设计图图 多相流泵单个压缩单元模型1.3 网格划分及数值方法使用 软件对轴流泵三维模型进行网格划分。对泵叶轮和导叶工作面和背面进行网格加密，使得对流动捕捉更为精确。叶轮为旋转域，其余部件为静止域，使用 面来连接静止域和旋转域。整体采用结构化网格进行划分以方便调节边界层，提高数值模拟的精度和准确性，具体及边界
8、层细节展示如图 所示。不同流量、含气率下外特性的变化。液压气动与密封年第期图 结构化网格划分示意图在数值模拟中，网格密度是影响模拟结果精度的重要因素。为了验证网格的独立性，采用了 组网格在纯水工况下进行数值模拟，其网格数从 到（网格 到网格）。图 为网格数对效率以及扬程的影响。当网格数超过 时，扬程及效率的波动不大。因此，本研究采用第 组网格，其网格数为，且网格质量满足计算要求。图 网格无关性检查针对螺旋轴流式多相流泵的气液两相数值模拟，使用 进行计算。使用 k 湍流模型，采用 算法求解压力速度耦合方程组，采用二阶迎风离散格式，收敛残差为；轮毂、轮缘等壁面处设置为无滑移壁面条件；叶轮与导叶以及
9、叶轮与进口延伸段之间的动静交界面使用 o oo 模型；转速设为 ，定常不考虑重力的作用，设置第一相为清水，第二相为空气，气体在流道内的存在形态为气泡，对气泡的直径赋值，选用的最大值为 。试验与数值模拟分析2.1 试验分析）螺旋轴流式多相流泵试验台系统试验在兰州理工大学水力机械综合实验室进行，螺旋轴流式多相流泵试验台的系统设计主要由电机、多相泵、液体管路、气体管路、气液混合装置、测量仪表以及各种阀门等构成，试验台系统如图 所示。图 螺旋轴流式多相流泵试验测试系统）螺旋轴流式多相流泵内气泡轨迹试验观测气泡是气体在多相流泵内存在的形态，其大小、形状、数量等受到气体体积分数、转速以及气液分离程度的影响
10、，对于气泡受力以及形态方面的理论研究已有不少，但针对泵内单个或者气泡群的流动情况研究还比较少。若含气率过大，高速摄像机拍摄到的视频内气泡的数量过多，且高亮区太大不利于对气泡最初形态进行定义，也不容易区分观测的对象，故本文的研究流态多集中在低含气率的孤立气泡流或孤立气泡群，通过高速摄像机的辅助对其变化以及轨迹进行细致研究。图 不同转速下气泡的运动轨迹观测多相流泵在不同转速下沿轴向流动方向气泡的运动轨迹，观测其在叶轮和导叶内的不同形态、数量、通流情况等方面的变化，图 为高速高速摄像机下所拍摄的运动轨迹截图，为选取明显的气泡运动仍为不均匀帧数间隔，分别对 和 个 o转速的气泡轨迹进行观察分析。由图
11、可知叶轮低转速下，大气泡不易破碎且不易脱离旋转域进入导叶，只有叶轮出口体积相对较小的气泡进入导叶，由图可知其在导叶进口发生分裂，分裂后有一部分发生回流开始做逆压力梯度运动，直至叶轮重新为其供能进入相邻的导流道，而从最后的三张图中可看出导叶内气泡最终在导叶背面 的位置向进口回流且未有气泡通流，与实际测量结果相同，多相流泵在该转速下的扬程较低，通流情况较差。由图 可得，随着转速的增加，气泡体积的最大值在减小而数量增加，转速增加叶轮增压能力加强，但叶轮内叶顶间隙的回流强度也在不断增加，甚至在叶顶间隙出现了运动方向相反的气泡群相撞的现象，在此处应存在压力突变以及较多的水力损失，这是叶轮转速增加之后离心
12、力增大带来的负面效果。2.2 叶轮及导叶内的流场分析试验观测仅能看到气泡运动的宏观变化，即形态、数量等方面的改变，无法给出多相流泵内流场的变化，即压力、速度以及气体体积分数分布状况等，且试验为了观测现象清晰，即进口含气率较小，转速也较低，同时试验无空化现象的介入。故为了研究的完整性，需要引入数值模拟对内流场进行分析。因此，在设计工况下，分别选取了螺旋轴流式多相流泵进口含气率在、及 的进口液体体积分数，气泡直径分别选取 、的情况进行 数值模拟，并将得到的结果使用 o 进行后处理，选取其 倍叶高处的气体体积分数图进行研究，如图 所示。图 倍叶高液相体积分布图由图 可知，相同气泡直径下，随着含气率的
13、增加，叶轮内的液相体积分数减小，但在低含气率下两相混合较为均匀，高含气率下在靠近叶轮流道吸力面的位置含气率较大，由于叶轮压力面压力较高，气泡在其附近表面张力不足易发生破碎，气液混合混匀，而在叶轮吸力面压力较低，易发生气泡聚合且由上文的试验可知还有从上一流道叶顶间隙回流的气泡也在此处聚集。导叶内气相依附于导叶流道的压力面并且其所占流道面积逐渐增大，向着导叶的进口延伸，靠近导叶流道吸力面的液相通道逐渐被扩展的气相漩涡所侵占，高含气率下气液分离明显，液相的体积分数有明显的梯度变化，即低含气率气体涡旋的衍生现象更加明显，由于导叶吸力面受到来自叶轮两相流体的冲击，压力较高气泡易破碎，气泡向低压区运动或与
14、液相有良好跟随性通流。相同含气率下，随着气泡直径的增加，叶轮内吸力面气相的聚集现象更为明显，叶轮与导叶交界面的流动情况由明显的两相分离流动向混合均匀流动过度，且在导叶吸力面附近的通流面积有所增加，对大气团的形成起到了一定的抑制作用。结论（）螺旋轴流式多相流泵在转速低于 时，叶轮内气泡的最大值出现于其叶片骨线 处，即便与压力面接触，气泡的尺寸仍然较大，且在向吸力面运动的过程中仍不断聚合，在叶轮与导叶的接触面处破碎，仅有少部分气泡进入导叶，其余由于能量不足回流至叶轮内进行二次增压，导叶内气泡由吸力面向压力面回流，两相介质通流情况差；（）转速高于 时，叶轮内气泡数量增多、尺寸减小，气体以气泡群的形式
15、流动，由于转速的升高，流道对气泡的约束力不足，气泡回流运动强度和跨流道运动强度均逐渐增强，在叶顶间隙产生涡旋；导叶内也存在跨流道运动，在导叶出口靠近压力面附近有气体涡旋的形成，随转速的升高，其面积不断向吸力面以及导叶导叶进口扩张，阻碍两相流通流；（）在叶轮的进口以及叶轮与导叶交界面附近，气泡的运动轨迹较为杂乱，主要由于动静干涉，在交界面处有压力突变，导致气泡的聚合或破碎现象明显，气泡在低压区易聚合、高压区易破碎，低压区易形成大气团积聚，占用流道通流面积，且会滋生气体涡旋，进一步增加能量损失。参考文献 邸立辉，何希杰，劳学苏 油田多相流泵研究现状与发展趋势 通用机械，（）：（下转第 页）液压气动
16、与密封年第期经济信息化，（）：米家宝 重型车辆用液力缓速器制动力矩性能研究机床与液压，（）：黄俊刚，李长友，童军，等 液力缓速器制动扭矩的关键影响因素分析 机床与液压，（）：黄俊刚，孙伟，张胜宾 液力缓速器制动力矩的仿真计算与实证研究 汽车技术，（）：马文星 液力传动理论与设计 北京：化学工业出版社，马文星 现代机械设计手册液力传动设计 北京：化学工业出版社，李强 液力缓速器结构优化设计与仿真实验分析 液压与气动，（）：孔令兴 液力缓速器充放液控制插装阀特性与控制方法研究 北京：北京理工大学，张晓丽 液力缓速器动态制动特性的联合仿真研究汽车技术，（）：王凯峰 双腔液力缓速器特性预测与试验研究 液压气动与密封，（）：梁全 机电一体化仿真教程 北京：机械工业出版社，汤波 基于 的抗流量饱和多路阀设计及仿真分析 液压气动与密封，（）：o，o o o ooo o o oo o o oo o，（）：o，o o o oo o ：o o oo，张玉玺 液力缓速器电控系统及控制方法研究 长春：吉林大学，引用本文：王凯峰，王昕，谢基晨，等 基于联合仿真弱耦合技术的液力缓速器充液率控制仿真与试验研究 液压
