3级离心混输泵在气液两相流条件下流动特性分析

张开辉，童文勇

(福建水利电力职业技术学院，福建 三明 366000)

1 概述

离心泵由于扬程高、效率高的特点在气液混输中被广泛使用[1]。但是由于气体的存在，泵内部流动状态比纯液状态下复杂，其性能受到进口含气率、空化及运行环境等的影响[2]。

Murakami等[3]通过试验验证了进口气体含量对泵的性能有明显的影响，并通过高速相机观察在不同进口工况下水泵内部的流动状态。Barrios等[4]采用了Eulerian-Eulerian非均匀流模型分析了电动潜水泵叶轮内部气液两相流动的基本规律。Jianjun Zhu等[5]通过实验测试得出电潜泵中气体的夹带量的增加，泵送的压力从缓慢下降到急剧下降。Jun-Won Suh等[6]对双螺杆多级泵进行气液两相流实验和数值计算研究，得出不同压缩室的大小与气液混合物的压力成反比。刘建瑞等[7]对自吸式气液两相流泵进行数值计算，得出叶轮内的压力随着流动方向逐渐增加，但不同的气液比例条件下压力梯度有所不同。闫思娜等[8]通过对单泵模型气液两相工况外特性和叶片表面压力分布的数值模拟结果与试验对比，发现采用SST模型进行数值计算的准确性。

本文结合深海开采工程采用ANSYS CFX 利用Eulerian两相流模型对三级离心式气液混输泵进行三维数值计算，分析不同进口含气率工况下的泵的两相流运行特性，得出泵运行特性变化与进口气体分数的占比的关系，以及气体在叶轮内部的分布规律，为后续泵叶片优化提供理论依据。

2 研究方法

本文以3级离心式混输泵作为计算的几何对象，根据李晨浩等[9]的研究，发现含有气体的离心泵的内部流动状态较为混乱，同时气液分布也不均匀，故采用欧拉—欧拉非均相湍流计算模型进行数值模拟。在该模型下将液相定义为连续相，气相则将气体定义为一颗颗离散的气泡，考虑两相之间的速度滑移和气液两相之间的动量交换[10]。

2.1 控制方程

假设气液两相流动的气体为离散的泡状流流体，连续性方程和动量方程根据伯努利方程[11]推导如式(1)(2)所示。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：

k——相(l为液相，g为气相)；

ρk——k相的动力粘度,Pa·s；

wk——k相的相对速度,m/s；

Mk——k相所受的相间作用力,N；

fk——与叶轮旋转有关的质量力,N。

2.2 几何模型与网格划分

1) 几何模型

本文研究采用的是某新式多级离心泵中的任意连续三级作为分析对象，图1为3级泵模型示意，包括进、出口直管道、扩压器、转轮和导流腔5个部件。混输泵几何设计参数见表1，运行设计参数见表2。

图1 模型泵计算域三维模型示意

表1 混输泵几何设计参数

表2 混输泵运行设计参数

2) 网格划分

传统的数值计算网格划分分为结构化和非结构化。本文中因需要考虑流体和边壁接触的边界流态，故选用结构化网格，着重优化边界网格。网格划分示意见图2。

a 导流腔网格 b 转轮网格 c 扩压器网格

3) 网格无关性验证

本文网格性验证，通过对泵各过流部件的网格进行调整，不同网格数对泵性能的影响如图3所示，最终选定网格最终网格数为503.7万。

图3 网格无关性验证曲线示意

3 外特性分析

3.1 计算条件及边界条件设置

本文对3级离心式混输泵在进口含气率为1%、5%、10%、15%、20%下进行CFX数值计算。对计算条件设置如下[12]：液相为水(ρ=997 kg/m3)，气相为空气(ρ=1.185 kg/m3)，其中液相为连续相，气相为分散相；选用两相流计算模型为Eulerian-Eulerian非均相流模型，其中液相采用SST k-ω模型，零方程模型；收敛残差设置为0.000 5。

边界条件设置：进口边界条件为总压进口、给定进口含气率，出口边界条件为质量流量出口，壁面条件设置为NO Slip Wall，转轮和其他部件交界面设置为Frozen Roter模式。

3.2 扬程效率分析

图4为不同气体分数下3级泵的外特性折线示意， 从图4中可以看出，随着含气率的增加，扬程和效率均呈现下降趋势，且扬程和效率均随着进口气体含量下降速度加快。但在含气率从0到1%时，存在含气率增加扬程和效率增加的现象。泵在运行过程中会产生汽蚀现象，影响水泵运行的效率和扬程，而当进口携带少量气体进入水泵时，当流体经过压力较小的区域时气体膨胀，可以减少水泵本身的汽蚀发生[13]。

a 0～20%含气率的外特性曲线

综上可得，当泵含有少量气体运行时，其运行效率反而会提升，这也验证了水泵可以通过补气的方法减轻汽蚀。

4 内部流动特性分析

内部流动特性是指水泵在运行过程中的压力分布、气相分布情况、速度分布情况以及湍流强度分布情况等特性，以总结水泵气液两相的运行规律。

4.1 气体分布

混输泵的进口含气率为1%～20%的气体分布云图示意如图5所示，根据上述不同进口含气率下转轮内部的分布图，可知随着进口含气率的增加，转轮内部气体占比逐渐增加，当进口含气率大于10%时，转轮流道中出现段塞流，且随着含气率增加段塞流现象越明显。气相分布在不同含气率下均有一个共同特点：气体聚集位置从转轮进口压力面向出口吸力面发展。同一含气率下3级泵的不同级数对比，发现第1级泵气体体积分数占比大于第2级，第2级体积分数大于第3级；这是由于随着上一级泵的增压，同样的气体被压缩成更小的体积分数。

图5 3级泵不同含气率下0.5倍叶高的气体分布云示意

4.2 叶片载荷分布

如图6所示，进口气体分数越大叶片载荷越小，这是由于随着气相含量的增加，气体分子间隔大，受到压力压缩可以抵消部分作用在叶片表面的压力，载荷减小。

图6 不同含气率下各级转轮叶片压力载荷分布示意

在第1级泵含气率为10%、第2级泵含气率为15%，第3级泵含气率为20%时，均出现压力面载荷小于吸力面的状况，即产生负压，且出现的位置均在t/T为0.2～0.4的范围内(如图5所示)，该处均存在大量气泡聚集，流道变窄，流速上升、压力降低而形成负压。

3级泵都存在t/T接近1的时，载荷出现突变，因为该处为转轮和导流腔的连接处，流道形状发生突变，流速发生突变，压力也发生突变形成负压情况，这也是在转轮出口处形成涡流的原因。

4.3 湍动能分布

湍动能在气液两相流泵中是表现泵内部流态的形式，是流体流动状态的体现。计算公式如下：

(3)

本文选用3级泵在进口体积含气率为5%、10%、20%3个工况下对转轮流道进行分析，为了更具体表现流道从进口到出口7个截面的湍动能进行分析。两相流在离心泵流道中的分布较大区域集中在靠近压力面和上盖板处，沿着转轮进口至出口逐渐向吸力面和下盖板处发展，且在不同进口含气率时规律相似，因此，本文仅对7个截面湍动能均值进行分析，以反映湍动能在不同泵级的变化情况。

如图7所示，在不同进口含气率下，第1级湍动能从进口到出口湍动能逐渐上升，且上升幅度较大；但第2级、第3级的湍动能变化趋势基本保持一致，仅在数值上略有差别。原因是经过首级泵的运行加压，第2、3级泵的湍动能变化趋于稳定，流态也较为相似。5%、10%、20% 3种工况下，从截面6至出口截面变化不一，含气率越小流道出口处变化相对值越大；当含气率为20%时，出口处折线变化趋势无明显差距。因为当含气率较大时，湍动能值受含气率的影响大于压力和流速变化的影响而占据主导地位。

a 截面位置示意

5 结语

本文采用了CFD数值模拟的分析方式，对3级气液混输离心泵进行了全流道数值分析得到了结论如下：

1) 3级泵外特性随着含气率越大扬程和效率越低，但在含气率为0到含气率为1%时，有小幅上升。

2) 当GVF≥10%时，出现明显地气液分离现象，并在部分流道形成了断塞流。

3) 本文中虽有其他文献作为结果对比参考，但由于试验条件原因对该泵没有针对地进行试验，后续应争取进一步试验分析以验证本次数值计算结果。