黏度對油氣混輸泵內氣相和泄漏渦分布的影響

孫國棟,史廣泰*,文海罡,黃宗柳

(1. 西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039; 2. 西華大學能源與動力工程學院,四川 成都 610039)

近年來,由于中國對能源結構政策的調整,海底礦產資源的發掘愈發受到重視,其中,在中國南海領域發現了大量石油和天然氣水合物等化石能源[1-2].在原油輸送過程中,介質種類較為復雜且易發生變化,故對輸送裝備的要求極高.目前最為理想的輸送裝備是油氣混輸泵,主要有螺桿泵和螺旋軸流式油氣混輸泵[3-4]這2種.原油中含有的少量沙粒會極大降低螺桿泵的使用壽命.而螺旋軸流式油氣混輸泵不僅可以輸送含有少量沙粒的原油,還可以輸送高含氣率的混合介質.但油氣混輸泵流道內的流場是極其不穩定的,并且在實際運行中其流道內還會形成各種渦,這些不穩定渦會對泵的性能造成很大影響[5].為了解決這些問題,學者們相繼對油氣混輸泵的多相流動特性進行研究.ZHANG等[6]通過對葉片式氣液混輸泵的可視化試驗發現,導葉流道內會產生大量的渦流,而這些渦流具有較強卷吸能力并加劇了氣液分離.史廣泰等[7]發現葉頂間隙內射流與氣相聚集有關.LIU等[8]也發現在動靜葉輪流道大致存在4種渦:前緣渦、泄漏渦、分離渦和尾渦.SHI等[9-10]總結了分離渦和葉頂間隙泄漏渦等渦流的流動特性.此外,文獻[11-12]分析并總結了混輸泵內泄漏渦的分布規律.

黏性對于渦的形成會產生較大的影響,而以上文獻基本圍繞水氣兩相進行研究,較少涉及介質黏性的影響,油氣混輸泵在實際應用中輸運的介質為原油且黏度遠高于水[13].因此,為了研究介質黏性對油氣混輸泵內流特性的影響,一些學者也對此做了分析.張文武等[14]通過油氣混輸泵的相間阻力模型優化得知介質黏度較大時會降低流道內的擾動.而LIU等[15]發現混輸泵中介質黏度很大時,其導葉流道內低速區的渦流會急劇增加,并導致泵的效率降低.王勇等[16]對三級多相混輸泵進行數值模擬發現,黏度的增大會改善氣液兩相流的不穩定性,有利于氣液兩相的輸運.

大部分學者使用速度矢量的旋度來定義油氣混輸泵流道內渦量的大小,這對渦量的表達還不夠全面.所以為了更精準地描述渦量大小,文中通過剛性旋轉渦量來研究介質黏度對流道內渦流分布的影響,該研究為改善油氣混輸泵的性能提供理論依據.

1 計算參數與物理模型

1.1 介質參數

文中所選用的液相介質為水和高黏度原油,氣相介質為甲烷.在數值模擬中,按照黏度不同分為3組數據,即水氣兩相1組和油氣兩相2組.為了使所選取的介質參數接近真實原油,其物理參數均來自文獻[17],并做出如下假設:

1) 水和原油為連續相流體,均是不可壓縮介質,其中,水的黏度為0.89 mPa·s,密度為997 kg/m3;原油1黏度為8.00 mPa·s,密度為845 kg/m3;原油2黏度為50.00 mPa·s,密度為880 kg/m3.

2) 甲烷為分散相流體,并設置氣泡直徑為0.1 mm.

1.2 物理模型以及主要參數

文中研究對象為油氣混輸泵的一個增壓單元,其物理模型通過UG軟件設計,流動方向依次從進口延長段到動葉輪再到靜葉輪,最后從出口段流出.泵幾何模型如圖1所示,其主要設計參數中,設計流量為100 m3/h;設計轉速為3 000 r/min;葉頂間隙為1.0 mm.動葉輪和靜葉輪的設計參數如下:葉片數分別為3和11;葉片輪緣進口安放角分別為4.0°和19.5°;葉片輪緣出口安放角分別為18.5°和87.0°;進口輪轂比分別為0.70和0.78;軸向長度分別為60和66 mm;葉輪直徑均為161 mm.

圖1 泵幾何模型Fig.1 Pump geometrical model

2 湍流模型設置及網格劃分

選用歐拉-歐拉非均相流模型,在不同介質黏度下利用ANSYS CFX軟件對混輸泵內部流動進行數值計算.其中,水氣兩相和油氣兩相的進口含氣率根據油田現場實際情況設為10%.模型具體設置如下:液相湍流模型使用SSTk-ω模型,氣相湍流模型使用零方程;進口設置為速度進口,出口設置為壓力出口;壓力和速度求解采用SIMPLE算法;相間作用力為Schiller Naumann;壁面設定為固定無滑移;計算的收斂殘差為1.0×10-5,且動靜交界面采用“Frozen Rotor”.

油氣混輸泵模型包括4個部分:進口段、葉輪、導葉和出口段,其中進口段和出口段通過ICEM軟件對其進行結構網格劃分,導葉和葉輪采用Turbo Grid拓撲結構.為保證數值計算結果的準確性,同時考慮到網格質量和數量的平衡關系,在設計流量Qd=100 m3/h的純水工況下進行數值計算,當網格總數達到456萬后,水力效率變化幅度很小,滿足網格無關性要求,因此確定計算域網格數量為456萬,后文數值計算將采用此網格進行.最終葉輪和導葉網格示意圖如圖2所示.

圖2 葉輪和導葉網格示意圖Fig.2 Schematic diagrams of impeller blades and guide vane mesh

3 數值模擬結果與試驗驗證

圖3為含氣率IGVF為10%時葉頂區域試驗結果與數值模擬結果.由圖可知,葉頂間隙處形成了葉頂泄漏渦,并主要聚集于葉片吸力面,同時葉片尾端間隙附近的壓力面也出現了渦,其中數值模擬計算所得結果與試驗結果相似度較高,因此該數值模擬方法具有可行性.

圖3 含氣率10%時試驗結果與數值模擬對比Fig.3 Comparison between experimental results and numerical simulations at gas content of 10%

4 試驗結果與分析

4.1 性能曲線

圖4為含氣率10%時油氣混輸泵外特性曲線.由圖4a可知,在不同介質黏度下,隨著流量增加,揚程呈下降趨勢,介質黏度越高的揚程越低.由圖4b可知,油氣混輸泵的最高效率點隨介質黏度增加而降低,其具體數值約從49%降低至37%.此外,在大流量工況下,液相介質為油1時的效率和揚程最高.綜上分析,黏度對油氣混輸泵性能的影響較大,為了讓泵高效運行,應當對不同黏度下的混輸泵內流動特性進行深入分析.

圖4 含氣率10%時油氣混輸泵外特性Fig.4 Hydraulic characteristics of oil-gas mixed pump with gas content of 10%

4.2 黏度對葉片表面氣相及流線分布規律的影響

圖5和圖6分別為不同流量及不同黏度下葉輪葉片吸力面和壓力面的流線分布.

圖5 葉輪葉片吸力面的流線分布Fig.5 Streamline distribution diagrams of suction surface of impeller blades

圖6 葉輪葉片壓力面的流線分布Fig.6 Streamline distribution diagrams of pressure side of impeller blades

由圖可知,在不同流量下氣相越集中的區域流線越密集,說明氣相的存在影響了葉片表面流線的分布規律.在設計流量工況下,低黏度時的氣相主要集中在葉片進口處并呈條狀分布,隨著黏度的增加,氣相逐漸向輪緣移動并擴散,而葉片吸力面的氣相分布與壓力面的分布規律正好相反;在小流量工況下,氣相隨黏度增加開始在吸力面聚集,并且逐漸向進口輪緣處減少,而壓力面的氣相更多地聚集在后半段靠近輪緣處;在大流量工況下,葉片吸力面的氣相與流線分布與設計流量工況下相比變化不大,只有在黏度較高時,氣相在吸力面進口輪緣處和壓力面后半段的聚集逐漸減少.

4.3 黏度對湍流黏度分布規律的影響

為進一步分析油氣混輸泵流道內渦流特性,選取葉輪主流道內的截面分別命名為S1,S2和S3,葉頂間隙處的截面命名為TC1,TC2和TC3,具體如圖7所示.

圖7 葉輪截面及葉頂間隙Fig.7 Cross-sections in impeller and tip clearance

圖8為葉輪主流道內S1,S2和S3的湍流黏度μe分布圖.

圖8 葉輪流道內湍流黏度分布Fig.8 Turbulent viscosity distribution in impeller flow channel

由圖可知,流道內介質黏度越高時,其湍流黏度越低,說明介質黏度顯著影響渦的分布規律.在不同黏度下,從S1到S3湍流黏度逐漸增大,特別是在流道后段截面處分布較多.隨著黏度增加,湍流黏度最大值區域向截面中部縮減,尤其是在高黏度時,其分布由圓團狀變為半月牙狀分布.

4.4 不同流量下黏度對泄漏渦分布的影響

圖9為不同流量下葉輪輪緣附近的氣相分布以及流道內基于q準則[18]下的渦分布(q值為 67 721 s-2).圖中φ為氣相體積分數.

圖9 葉輪輪緣附近的氣相分布以及流道內渦分布Fig.9 Gas phase distribution near impeller rim and vortex distribution in flow channel

由圖可知,在輪緣處主要存在泄漏渦和剪切渦,不同工況下泄漏渦的分布規律與氣相分布規律吻合度較高,說明氣相對泄漏渦分布規律的影響較大.在設計流量工況下,葉輪輪緣處氣相和渦在葉片前緣壓力面附近和尾緣吸力面附近呈小面積的細條狀分布,且隨著黏度增加,氣相分布向流道中間部分擴散;在小流量工況下,當黏度較低時,氣相在流道中間部分增加而在前段和后段逐漸減少,但在高黏度時氣相的變化則不明顯;在大流量工況下,當黏度較低時,氣相在流道前中段的壓力面處呈長條狀分布,當黏度增至8.00 mPa·s時,氣相開始向進口處縮減并呈細條狀分布.在偏設計流量工況下,高黏度的氣相含量最大值區域減少,但整個流道內氣相含量增加.在不同流量下,當介質黏度較高時,靠近壓力面的泄漏渦長度逐漸減少,其強度逐漸減弱,但是在葉輪流道的中后段均出現了明顯的呈片狀分布的剪切渦層.這是由于高黏度條件下流層間的剪切力較大,導致產生剪切渦較多.

4.5 黏度對葉輪流道內渦量分布的影響

圖10 葉輪流道內進口到出口的渦量分布Fig.10 Vorticity distribution from inlet to outlet in impeller flow channel

(1)

由圖10a可知,當介質黏度較低時,在葉輪流道內渦量從進口到出口呈先增后減的趨勢,其中從進口到出口0.1處的渦量為最高峰值.隨著黏度增加,渦量在流道內變化趨勢相同,但其渦量一直在增大,且最高峰值向出口段移動.這是因為在高黏度條件下,流道后段的渦消散較快,但其剪切渦較多,剪切渦是指由于拉伸剪切變形的渦,嚴格意義上不算物理上旋轉的渦,文獻[19]已證明這一點,因此,在高黏度條件下用一般的渦量表達式會帶來較大的誤差.由圖10b可知,當介質黏度較低時,剛性旋轉渦量在葉輪流道前半段隨流動方向呈凹狀分布,而在流道中后段隨流動方向逐漸減少.隨著黏度增加,剛性旋轉渦量隨流道方向變化規律大致相同,但其渦量呈先增后減的趨勢,特別是在流道后半段,高黏度下的剛性旋轉渦量明顯小于低黏度下的.因此考慮剛性旋轉渦量得到的分布規律更為準確.

5 結 論

1) 在葉輪流道內,氣相的存在較大地影響了葉片表面流線的分布規律.在設計流量工況下,葉片壓力面處的氣相隨著黏度增加向輪緣擴散,而葉片吸力面的氣相分布與之相反.與設計流量工況相比,當黏度較小時,小流量工況下的氣相在壓力面后半段分布增多,在吸力面中段分布減少,大流量工況下的氣相則是在壓力面后段分布減少.

2) 不同工況下泄漏渦的分布規律都與氣相分布吻合度較高,說明氣相對泄漏渦分布規律的影響較大.偏設計工況下,介質黏度越高,其氣相在流道尾部的聚集度越高,并且出現大面積的剪切渦層,影響了葉輪流道后段的渦分布.其中在大流量工況下,混輸泵的揚程和水力效率隨黏度的適度增大而增大,且流道內壓力面處的氣相聚集也隨之得到了改善.

3) 流道內介質黏度越高時,其湍流黏度越低,且在不同黏度下,從葉輪流道進口到出口湍流黏度均逐漸增大.高黏度時流道后半段的剪切渦較多,流道前半段的泄漏渦強度較弱,這與剛性旋轉渦量分布規律一致.因此在油氣混輸泵內,考慮剛性旋轉時的渦量分布更為準確.