基于CFX软件油气混输泵压缩级流场模拟及分析.pdf

2 0 1 1年 第 3 期 第 4 O卷 第 3 2页 石油 矿 场机 械 OI L F I E LD E QUI P MENT 2 O 1 1， 4 0 3 3 2 ～ 3 6 文 章 编 号 1 O 0 1 - 3 4 8 2 20 1 1 0 3 0 0 3 2 0 5 基于 C F X软件油气混输泵压缩级流场模拟及分析 马希金 ， 王 智 ， 张明紫 兰州理工大学 能源与动力工程学 院， 兰州 7 3 0 0 5 0 摘 要 利 用 C F X软件 ， 在 多重参 考坐标 系下采 用欧拉 方 法的双 流体 湍 流模 型 来计 算 油 气混输 泵单 级 内三 维气液 两相 流场 。通过 压力场 、 速度场及 气液相 分布 的分析 ， 探 讨 了气液混合介 质在 油气混 输 泵单 个压 缩级 内部 的流动规律 ， 并对 单个压 缩级 外特性 进行 了预测 。模 拟和 试验 的 对 比结果 表 明 该计 算模 型 能较 好地预 测 多相混输 泵在较低 入 口含 气率 工况下 的性 能 ， 而 当多相 混输 泵入 口含 气率 比较 高时 ， 模拟 值和试 验值 有一定 的偏差 。 关键 词 油气混输 泵 ； 数值模 拟 ； 流场分析 ； 性能 中图分类号 T E 9 6 4 文献标识 码 A Nu me r i c a l S i mu l a t i o n a n d F l o w An a l y s i s o i l Co mp r e s s i o n S t a g e o f Oi l g a s M i x t u r e Pu mp Ba s e d o n CF X S o f t wa r e MA Xi j i n， WANG Z h i ， Z HANG Mi n g - z i Co l l e g e o f En e r g y a n d Po we r En g i n e e r i n g， La n z h o U Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， La n z h o u 7 3 0 0 5 0， Ch i n a Ab s t r a c t A t WO ph a s e 3 - D t u r bu l e n c e f l o w f i e l d wa s c a l c u l a t e d wi t h CFX un de r m u l t i p l e r e f e r e nc e f r a me ba s e d o n t he Eu l e r me t h o d o f m u l t i f l u i d mod e l f o r g a s l i q ui d t ur bu l e n c e f l o w f i e l d i n t h e s i n gl e c o mpr e s s i o n s t a g e o f a x i a l f l o w m u l t i p ha s e pu m p und e r d i f f e r e nt i nl e t g as v o l ume f r a c t i o n． By a na l y z i ng t he p r e s s u r e f i e l d，t he ve l o c i t y f i e l d a nd g a s ～ l i q u i d di s t r i bu t i o n， t he i n t e r n a l f l o w c h a r a c t e r i s t i c s of g a s l i qu i d mi x i n g m e d i um i n o i l ga s mi xt u r e pu mp i nd i v i du a l c omp r e s s i on s t a g e we r e d i s c u s s e d a nd t he n t he e xt e r na l c ha r a c t e r i s t i c s we r e pr e di c t e d．An d t he s i mul a t i o n r e s ul t s a nd e x pe r i me nt a l r e s u l t s we r e c o mpa r e d； t he r e s ul t s s ho w t ha t t hi s mo de l c a n pr e d i c t t he p e r f o r m a nc e o f m u l t i p ha s e p ump u nd e r l owe r i nl e t g a s v o l u m e f r a c t i o n e f f e c t i v e l y ．Ho we v e r， t h e r e wa s a c e r t a i n d e v i a t i o n be t we e n s i mul a t e d r e s u l t s a nd e x pe r i me n t a l r e s ul t s whe n t h e i nl e t ga s v o l ume f r a c t i on wa s r e l a t i v e l y hi g h． Ke y wo r d s oi l g a s mi x t u r e p u m p； nu m e r i c a l s i mul a t i o n； f l o w f i e l d a na l ys i s ； pe r f o r ma nc e 轴 流式油气 混输泵 是用 于油气 等多相混 合介质 输送 的一种增 压装 置 。 目前 ， 国外 已成 功地 将该 类 产品应 用于油 田生产 ， 国 内 尚处于 初 期样 机 研究 阶 段 。由于输送 的多 相介 质 流 动 的复杂 性 ， 其 水利 设 计 尚无成熟 的设计 方法 ， 设 计 中存 着一定 的盲 目性 ， 而 流动数值模 拟具 有 投 入少 、 周期 短 、 信 息完 整 、 仿 真 能力强 等优点 。 因此 ， 实现 混 输 泵气 液 两相 的数 值模拟对于产品的优化设计 、 提高泵输送性能具有 收 稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 9 基 金 项 目 甘 肃 省 科 技攻 关 项 目 GK9 5 4 3 1 1 作者简介 马希金 】 9 5 8 ～ ， 男 ， 山西夏 县人 ， 研究员 ， 硕士生导师 ， 主要从事流体机械方 面的研究 ， E m a i l ma x i j i n 1 2 6 1 2 6 corn o 第 4 O卷第 3期 马希金 ， 等 基于 C F X软件油气混输 泵压缩级流场模拟及分析 重要 意义 。 C F X与大 多数 C F D 软件 不 同 ， C F X 除 了可 以 使 用有 限体 积法 之外 ， 还采 用 了基 于 有 限元 的有 限 体 积法 。基 于有 限元 的有 限体积 法在保 证 了有 限体 积 法守恒 特性 的基 础 上 ， 吸收 了有 限元 法 的数 值 精 确 性 ， 加 上其 多 网格 技 术 ， C F X 的计 算 速 度 和 稳 定 性 较传 统 方 法 提 高 了许 多| 1 ] 。本 文 利 用 大 型 商 用 C F D软件 C F X 1 2 ． 1 ， 在 多 重参 考 坐标 下 ， 采 用 欧拉 方法 的双 流体湍 流 模 型对 自行 研 制 的 YQH一 1 0 0型 轴流式 油气 混输 泵第 二代样 机 l 2 单 个 压缩级 进 行流 动模 拟 ， 并将 模拟 结果 和试 验进 行对 比。 1 样机建模及 网格划分 1 ． 1 样 机 介绍 该样 机单 个压 缩级 由 1个动 叶轮 和 1 个 静 叶轮 组 成 。动 叶轮 采用 奇点分 布 法设 计 ， 叶片 数 为 4 ； 静 叶轮采用 长 短 叶 片结 合 的复 合 式 叶 轮[ 2 ] ， 长 叶 片 9 片 ， 短叶 片 9片 。设 计 转 速 为 2 9 5 0 r ／ mi n ， 设 计 流 量 为 1 0 0 m。 ／ h ， 单 级增 压在 0 ． 1 ～0 ． 4 MP a ， 级 数 为 5级 。 1 ． 2建模 与 网格 划分 利 用 UG 软件 对计 算 区域 进 行造 型 ， 并 在 建 模 时适 当添加 了进 出 口长 度 。采 用非 结 构 网格 ， 用 软 件 I C E M 进行 网格 划分 ， 并 对 动 叶 轮 的 叶 片进 口边 加 密_ 3 ] 。网格划 分 结果 如 图 1所 示 ， 共 划 分 网格单 元 1 0 8 1】 1 O 个 ， 其 中 进 口 段 8 0 3 4 7 个 ， 动 叶 轮 段 6 0 5 8 9 5 个 ， 静 叶轮 段3 9 4 8 6 8 个 。 图 1计 算 域 网 格 2 数值方法 边界条件及 计算前处理 2 ． 1 数值 方法 根 据文献 [ 4 ] ， 空气 泡在 叶轮 入 口处 由于叶轮 叶 片的剪切 作用 而破 碎 ， 形 成 小 气 泡并 与液 流 混 合 成 均匀 的气 液两 相流 。气 泡尺寸 与泵 的 吸入管 路 的条 件 无关 ， 主 要 由叶轮 的转速 来决 定 ， 小 气泡 流 出叶轮 后 再合成 大气 泡 流 出泵 体 。 假设 叶轮 内部 气液 两相 流 流型为 泡状 流 。液 相 为 连续相 ， 气 相为 离 散 相 ， 由小 气 泡构 成 ， 气 泡 在 运 动 中保 持 球 形 ， 具 有 同一 的直 径 ， 为 O 1 mm。液 相 通过 标准 的 e模 型模 拟 ， 气相 采 用 零方 程 描 述 ， 忽 略 相界 面 的 表 面张 力 ， 相 间作 用 力 主要 考 虑 阻力[ 5 和 附加质 量力 。假 设 流 动 为定 常流 动 ， 气 液 两相 间 无质量 和热 量交 换 ] 。采用 欧拉 方法 的双 流体 湍流 模 型计 算 ， 具体方 程从 略 。 2 ． 2边界 条件及 计算 前处 理 1 计算 域 进 口设 为 速 度 进 口， 来 流设 为均 匀 来 流 ， 来 流速 度方 向与 进 口边垂 直 ； 人 口湍 流取值 按 水力 直径 大小 及 湍流强 度 按 5 给定 。 2 出 口设 为 o p e n i n g条件 并 设定 出 口静 压力 的预测值 O ． 2 1 MP a 。 3 动 叶轮段 流 体设 为旋 转 坐 标 ， 转 速 即是 叶 轮转速 2 9 5 0 r ／ mi n ， 转 速 方 向 与叶 轮旋 转 方 向一 致 ； 设 叶 片 、 轮 毂 为 r o t a t i n g wa l l ， 相 对 于旋 转 坐 标 系速 度 为 零 ， 即 以转 速 2 9 5 0 r ／ mi n旋 转 ， 轮 缘 为 c o u n t e r r o t a t i n g wa l l ， 即轮 缘静 止 ； 均 采用 无滑 移壁 面 ， 以壁 面 函数法 确定 固壁 附近 流动 。 4 对 于静 叶轮 和进 口段 ， 设 为静 止坐 标 系 ， 设 该段 叶 片 、 轮毂 及 轮缘 为无 滑移壁 面 ， 采 用壁 面 函数 法确 定 固壁 附 近 流 动 ， 且 相 对 于 静 止 坐 标 系 速 度 为零 。 5 动 叶轮 段 和 静 叶 轮 段 网 格 连 接 方 式 采 用 I G G模式 ， 动 叶轮段 和静 叶段 的分界 面定义 为混合 面 边 界 ， 混合面算法采 用冻结 叶轮模型 F r o z e n r o t o r 。 6 具 体 模 型 及 前 处 理 设 置 细 节 可 参 考 C F Xl 2 ． 1 用 户 手 册 [ ] 。 3计算结果及分析 采用 C F X软件进 行 了数值 模拟 ， 得 到 了在 一 系 列含 气量 下的 三维紊 流场 ， 限于篇 幅 ， 本 文只 给出入 口体积含气率为 4 o 的动叶轮和静 叶轮 的三维紊 流场 。 3 ． 1 压 力分 析 图 2为过 叶 片 中点 5 0 叶 高 的叶片通 道 回转 面 的压力 分 布 展 开 图 左 侧 为 进 口， 右 侧 为 出 口 。 图 3为压力 分 布 的轴 面投 影 图 右侧 为进 口 ， 左 侧 为 第 4 O卷第 3 期 马希金 ， 等 基于 C F X软件 油气 混输 泵压 缩级 流场模 拟及分析 ● 曩 量 ⋯ 一。 一 ～， 图 7液 相 速 度 分 布 的 轴 面 投 影 3 ． 3相 态分布 分析 图 8为过 叶片 中点 5 0 ％叶高 的 叶片通道 回转 面 的截面含 气率 分布 展开 图 左 侧 为进 口， 右侧 为 出 口 。图 9为截 面含气 率分 布 的轴面 投影 图 。 右侧 为进 口， 左侧 为 出 口 。 图 8 5 O 叶高的叶片通道 回转面含气率分布 图 9 含气 率分布的轴面投影 由于进 口的 冲击 ， 在离心 力 的作用 下 ， 动 叶轮 流 道 内密度 较大 的液 相开 始从 叶轮 人 口处 开 始逐渐 沿 径 向 向外 移动 ， 以至 轮缘 处体 积含气 率越 来越 低 ， 轮 毂处 越来 越高 ， 气液 分离 越来越 严 重 。同时 ， 气相 在 液相 的挤 压 下 逐 渐 沿 径 向 向 里 移 动 ， 在 轮 毂 区域 聚集 。 在 静 叶轮 流 道 内 ， 由于作 用 在 混合 介 质 上 的 离 心力 消失及 气相 相对 于液 相 很 小 的 惯性 ， 在受 到 静 叶片阻 力和 升力 的作用 下 ， 气相逐 渐脱 离轮 毂 ， 向轮 缘 处移 动 ， 轮 缘处 的液 相填 补 了气 相 离 开所 产 生 的 空 缺 ， 逐 渐 向轮毂 移动 ， 所 以轮缘处 截 面含气 体 积分 数越 来 越高 ， 轮毂 处越来 越低 ， 气 液分 离程度 越来 越 小 。静叶轮起到 了很好 的气液混合作用。同时， 由 于气 相 和液相 的混 合 ， 也 使 流道 内产生 较大 的漩 涡 。 3 ． 4外 特性 分析 图 1 0是根 据文 献 E 9 3 预测 出的多相 混输 泵 的特 性 曲线与 试验结 果 的对 比。 从 计 算 结果 和 试 验结 果 中可 以看 出 随着 含气 率的增高 ， 效率和扬程不断降低 ； 计算值总体 比试验 值 偏高 但差 别不 大 ； 在 体 积含气 率较 低时 ， 试验值 和 计 算值 最 为接近 ， 而 随着 入 口含气率 的增加 ， 预 测结 果 偏差 增大 。这 表 明在 高 含 气 率 时 ， 两 相 之 间 的运 动 和受 力更加 复 杂 ， 计 算模 型 和假 设 条 件 还需 进 一 步 改进 。 0 ． 4 0 0 ． 3 5 0 3 0 0 ． 2 5 0 ．2 0 羹 O 1 5 0 ． 1 0 0 O 5 0 1 0 多相 混 输 泉 的 特 性 曲 线 与 试 验 结 果 对 比 4 结 论 1 通过 C F X软件 ， 在细 泡状 流假 设和 气液 双 流体 模 型基础 上 ， 计 算 了轴 流 式 油 气 混输 泵 单 个 压 缩级 内部 的两 相流场 ， 分析 了气 、 液两相 在泵 内 的流 动状 况 ， 对 混输 泵 内的压 力 、 速 度及 相态 分布 分别进 行 了讨 论 ， 并对其 外 特性 进行 预测 。 2 通 过计 算 结 果 与试 验 结 果 的 对 比， 发现 该 计 算模 型能 较好 地预 测 多相混 输泵 在较 低入 口含气 率工况下附近的性能， 而当多相混输泵入 口含气率 比较高 时 ， 计 算值 和试 验值 有一 定 的偏 差 。 参考文献 [ 1 ] 王福军． 计 算流体 动力学 分析一c F D软件原 理及应 用[ M] ． 北京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 4 1 8 - 1 9 ． [ 2 ] 赵 杰． 多相泵 复合 式静叶 C D F模拟 及流 场分 析[ D ] ． 兰州 兰州 理工 大学 ， 2 0 0 9 4 3 4 5 ． 2 0 1 1年 第 3期 第 4 O卷 第 3 6页 石油矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 文 章 编 号 1 O 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 3 0 0 3 6 0 4 不 同形状 叶轮对潜油离心泵 内数值流场 的影响 黄志凌 。 冯勇建 厦门大学 物理与机电工程学 院， 福 建 厦 门 3 6 1 0 0 5 摘 要 对具有 不 同形状 叶轮 的潜油 离心 泵进 行数 值 流场 分析 和研 究 ， 在 P r o ／ E 中建立 三 维 几何 模 型 ， 将模 型转入 GAMB I T进行 网格 划分 ， 再 利用 Fl u e n t 软件模 拟 2种不 同形状 离心 泵叶轮 的 三维 流动 。结果显 示 出离心泵 内的压力场 、 速度场 和湍流 强度等 情况 ， 对比 了不 同形状 叶轮 对潜油 离心 泵 内数值 流场 的影响 ， 为其设 计选型及 改 良提供 了可靠依据 。 关键 词 潜油 离心泵 ； P r o ／ E； GAMB I T； Fl u e n t 中图分类号 T E 9 3 3 ． 3 文献标 识码 A Di f f e r e nt S ha p e s o f I mp e l l e r Af f e c t i n g o n Nu me r i c a l Fl o w F i e l d i n s i d e S u b me r s i b l e Ce nt r i f u g a l Pu mp HUANG Z h i l i n g， F ENG Yo n g j i a n Co l l e g e o f Ph y s i c s a n d Me c h a n i c a l El e c t r i c a l En gi n e e r i n g， Xi a me n Un i v e r s i t y， Xi a me n 3 6 1 0 0 5 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th i s pa p e r f oc us e s o n t h e a n a l y s i s a nd r e s e a r c h o f t he s ub me r s i b l e pu mp’ S n ume r i c a l f l o w f i e l d whi c h ha v e d i f f e r e nt s ha pe s o f i mp e l l e r ， t h e s u b m e r s i b l e pu mp o f t h e t hr e e d i m e ns i o na l g e o me t r i c mo d e l s we r e b u i l d b y u s i n g Pr o ／ E， d i v i d i n g i n t o GAMB I T f o r me s h， r e u s i n g F l u e n t s o f t wa r e s i m u l a t i on o f t wo d i f f e r e n t t hr e e di m e ns i o na l s ha pe o f c e nt r i f u ga l p ump f l ow．The r e s uhs s ho w t h a t t h e p r e s s ur e f i e l d i n s i de t he c e n t r i f u ga l pu mp， ve l o c i t y a nd t ur bu l e nc e i nt e ns i t y a nd S O o n ．Comp a r e d i n d i f f e r e n t s ha p e s s u b m e r s i b l e c e n t r i f u g a l pu mp i m p e l l e r o f t he n u m e r i c a l f l o w f i e l d， i t p r ov i d e a r e l i a bl e b a s i s f o r s e l e c t i o n o f i mpr o v e me n t ． Ke y wo r d s s u b me r s i b l e p u mp； P r o ／ E； GAMBI T； Fl u e n t 潜 油离心 泵 主要 由泵 轴 、 叶轮 、 导 壳 、 泵 壳 等 组 成 ， 是一 种在井 下工作 的多级 离心泵 ， 用油 管下入 井 内， 地 面 电源通 过潜 油 泵专 用 电缆输 入 井下 潜 油 电 机 ， 使 电机带动 多级离 心泵旋 转产生 离心力 ， 将井 中 [ 3 ] [ 4 ] j 5『 [ 6 ] 张先勇， 冯 进 ， 罗海兵 ， 等． 基于 C F D分 析 的轴 流式 螺旋叶轮设计[ J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 0 7 ， 3 6 2 2 2 2 5 ． 车 得 福 ， 李 会 雄 ． 多 相 流 及 其应 用 [ M] ． 西 安 西 安 交 通 大学出版社 ， 2 0 0 7 4 6 4 4 6 5 ． 李临华 ， 孙宝全 ， 于庆国 ， 等． 井下混输泵增压单元数值 仿真[ J ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 9 3 1 - 3 5 ． 孙宝全． 多相 混输泵 叶轮 叶片强度有 限元分 析[ J ] ． 石 的原油举 升 到地 面 。本 文 采 用 在 P r o ／ E 中建 立 三 维 几何模 型 ， 将模 型 转 入 GAMB I T 进行 网格 划分 ， 再利用计算流体动力学软件 F l u e n t ， 采用标准 ￡ 方 程 湍流模 型对 2种不 同形状 离心泵 叶轮 的流动进行 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 油矿 场 机 械 ， 2 0 0 8， 3 7 7 3 4 3 8 ． 马希金 ， 郭俊杰 ， 孙永平． 轴流式油气混输泵内部的 C F D 分析 及 优 化设 计 【 J ] ． 化工 机 械 ， 2 0 0 4， 3 1 2 9 0 9 2 ． ANS YS， I n c ． Us e r ’ s g u i d e r e l e a s e 1 2 ．1 l K 1 ．AN SYS CFX ， 200 9． 黄思 ， 李汗强 ， 班耀涛 ， 等． 叶片式气液 昆输泵扬程 的 一 种估算方法[ J ] ． 石油机械 ， 1 9 9 9 ， 2 7 9 1 2 1 3 ． 收 稿 日期 2 0 1 0 0 9 1 3 基 金 项 目 福 建 省 重 大 科 技项 目 2 O 1 0 N0 2 0 2 作者简介 黄志凌 1 9 8 6 ， 男 ， 福建南安人 ， 硕士 ， 主要研究方向为测试计量技术 ， E ma i l z h i l i n g h u a n g l 9 8 6 1 6 3 ． c o rn。