（流体机械及工程专业论文）轴流式多相泵动静叶片轴向间距对压缩级性能的影响.pdf

e f f e c ti np e r f o r m a n c eo fh e l i c o n a x i a lm u l t i p h a s ep u m pb yv a r y i n g a x i a lc l e a r a n c e b y w a n gz h i b e ( c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n h y d r a u li cm a c h i n e r y i nt h e g r a d u a tes c h o ol o f l a nz h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rm ax i ji n 3洲9m 4 58m 8ii1y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本研究项目不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本研究项目的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 作者虢诬日期训年乡月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 一、，一 作者签名：占档 日期：加if 年月罗日 导师签名：毽挥7 仓日期：7 卅年乡月7 日 目录 要i s t r a c t i 1 章绪论1 1 1 油气多相混输系统的应用1 1 2 国外油气多相泵的研究现状及工程实践1 1 2 1 国外多相泵产品概况1 1 2 2 多相泵的工程应用3 1 2 3 国内研究状况4 1 3c f d 过程概述4 1 3 1 计算流体力学软件c f x 简介4 1 3 2c f d 过程5 1 4 本文研究内容6 1 4 1 已往研究成果6 1 3 3 本文研究内容7 1 3 4 本文构想7 第2 章三维模型建立及网格生成一8 2 1 样机设计参数简介8 2 2 计算域三维建模建立8 2 3 计算域网格划分9 2 3 1 网格生成技术概述9 2 3 2 网格生成软件i c e m - - c f d 概述1 1 2 3 3 模型网格生成1 3 第3 章叶轮内部两相流动的湍流模型1 5 3 1 两相流湍流模型概述1 5 3 2 三维湍流模型概述1 6 3 2 1 湍流核心区的数值模拟1 6 3 2 2 近壁区域的数值模拟1 8 3 3 叶轮内部两相流动物理假设及流动数值模型1 9 3 3 1 叶轮内部两相流动的物理假设1 9 3 3 2 两相间相互作用的假设2 0 1一 3 3 2 气液两相流的控制方程2 2 3 3 2 叶轮内部两相流动数值模型选择2 3 第4 章计算前处理2 4 4 1 计算工况点说明2 4 4 2 物性条件设置2 4 4 3 边界条件设置2 4 4 4 收敛判据2 5 第5 章计算结果与分析2 6 5 1 扬程、效率预测公式2 6 5 2 单一压缩级模拟及分析2 6 5 1 1 压力分析2 7 5 1 2 速度分析2 9 5 1 3 相态分布分析3 1 5 3 动、静叶片轴向间隙( 动静间距) 对单一压缩级性能的影响3 3 5 2 1 动静叶轴向间隙变化对扬程影响的分析3 3 5 2 2 动静叶轴向间隙变化对效率影响的分析3 7 5 3 压缩级间距( 静一动叶间距) 对两级压缩级性能影响4 3 5 3 1 压缩级间距变化对扬程影响分析4 3 5 3 2 压缩级轴向间距变化对效率的影响4 7 结论5 3 参考文献5 5 致谢5 8 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 9 2 一 硕士学位论文 摘要 针对1 0 0 一y q h 第二代样机，利用c f x 软件，在多重参考坐标系下，采用欧拉 方法描述的两流体模型模拟多相泵压缩级内部三维气液相流场。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轴流式多相泵单个压缩级内部 的流动规律。研究了动静叶片轴向间隙及压缩级间距对其水利性能的影响规律。 对不同动、静叶轴向间隙的单一压缩级以及不同间距的两级压缩级进行全流 道三维流动数值模拟。具体研究了不同入口含气率工况下，四个不同动静叶间隙 ( 1 0m m 、1 5 m m 、2 0 m m 、3 0 r a m ) 单一压缩级以及三个不同压缩级间距( 1 0 m m 、1 5 r a m 、 2 0 r a m ) 的两级压缩级的内特性，并分析了不同动、静叶片轴向间隙和不同压缩级 间距对扬程、效率及叶片扭矩的影响。 结果表明，动静叶片间隙对压缩级扬程、效率及叶片扭矩均有一定影响；间 隙过长或过短均会加剧气液分离程度，使扬程减小；增大间隙会减小动静叶片之 间的回流，使叶片扭矩减小；效率与间隙之间并无明显规律，其大小是扬程、叶 片扭矩两个因素的综合。在所选的4 个间隙中，动静叶片轴向间隙为1 5 r a m 压缩 级效率最高。压缩级轴向间距对两级油气混输泵性能存在影响：间距过长或过短， 也会导致扬程减小，而叶片扭矩基本没受到间距大小变化的影响；三个所选间距 中，当间距为l o m m 时，压缩级效率最高。 关键词：多相泵流场分析性能动静叶间隙压缩级间距 i 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fs e c o n dg e n e r a t i o np r o t o t y p eo ft h ey q h 一1 0 0 ，t h ei n n e rf l o w f i e l da n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fo i l - g a sp u m pc o m p r e s s i o ns t a g ew e r es i m u l a t e d b a s e do nt h ee u l e rm e t h o do fm u l t i - f l u i dm o d e lf o rt w op h a s et u r b u l e n c ef l o w si n d i f f e r e n ti n l e tg a sv o l u m ef r a c t i o nb yu s i n gc f x b y a n a l y z i n gt h ep r e s s u r ef i e l d ，t h e v e l o c i t yf i e l da n dg a s - - l i q u i dd i s t r i b u t i o n , t h ei n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c so fg a s l i q u i d m i x i n gm e d i u mi no i l - g a sm i x t u r ep u m pi n d i v i d u a lc o m p r e s s i o ns t a g ew e r ed i s c u s s e d t h ec h a n g eo np e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d ，w h i c hi sb r o u g h tb yv a r y i n gr o t o r - s t a t o r a x i a lc l e a r a n c ei ns i n g l es t a g ea n da x i a ls p a c i n gb e t w e e nc o m p r e s s i o ns t a g e s t h ei n n e rf l o wf i e l da n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so fb o t hs i n g l es t a g ea n dt w o s t a g e sw e r es i m u l a t e da td i f f e r e n tr o t o r - s t a t o ra x i a lc l e a r a n c e sa n da x i a ls p a c i n g r e s p e c t i v e l y i n t e r n a la n de x t e m a lc h a r a c t e ro fs i n g l es t a g ea tf o u rd i f f e r e n tc l e a r a n c e s ( 1o m m , 15 m m ， 2 0 m m ,a n d3 0 m m ) a n dt w os t a g e sa tt h r e ed i f f e r e n ta x i a l s p a c i n g ( 10 m m ，15 m m ，2 0 m m ) w a ss t i m u l a t e di nd i v e r s ei 1 1 l e tg a sf r a c t i o n t h ee f f e c t o nt o t a lh e a d , e f f i c i e n c ya n dt o r q u ew e r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t t h er e s u l t ss h o wt h a tv a r y i n ga x i a lc l e a r a n c ee f f e c to nt o t a lh e a dt o r q u ea n d e f f i c i e n c y t o t a lh e a dt r e n dt od e c r e a s e 、柝廿lt o ol o n gc l e a r a n c eo rt o os m a l lc l e a r a n c e w h i c hi n t e n s i f i e st h ed e g r e eo fl i q u i d - g a ss e p a r a t i o n t h el o n g e rc l e a r a n c ei s ，t h e s m a l l e rb a c k f l o wa m o n gr o t o ra n ds t a t o rw i l lb e ，w h i c hb r i n gs m a l l e rt o r q u eo fb l a d e s e f f i c i e n c yd e p e n do nt h es y n t h e t i c a l l ya c t i o no ft o t a lh e a da n dt o r q u e t h e r ei sn o s i g n i f i c a n tl a wb e t w e e nt h ec l e a r a n c ea n de f f i c i e n c y t h ee f f i c i e n c yo fc o m p r e s s i o n s t a g ei sh i g h e s tw h e nt h ea x i a lc l e a r a n c ei s 15 r a mi nf o u rc l e a r a n c e sb e i n gc h o s e n v a r y i n ga x i a ls p a c i n gh a se f f e c to nt o t a lh e a dt o r q u ea n de f f i c i e n c y t o t a lh e a d 讹n d t od e c r e a s e 、析mt o ol o n gc l e a r a n c eo rt o os m a l lc l e a r a n c e t o r q u eo fb l a d e si sv a r i e d l i t t l e 州t l lc h a n g i n ga x i a ls p a c i n g t h ee f f i c i e n c yo fc o m p r e s s i o ns t a g ei s h i g h e s t w h e nt h ea x i a lc l e a r a n c ei s10 m mi nf o u ra x i a ls p a c i n gb e i n gc h o s e n k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ep u m p ；f l o wf i e l da n a l y s i s ；p e r f o r m a n c e ；a x i a lc l e a r a n c e ；a x i a l s p a c i n g i i 硕上学位论文 第1 章绪论 随着油气勘探开发技术的进步，勘探开发领域的扩大，一些开采条件比较恶 劣的油田相继发现，特别是在海洋，沙漠和边际油田的开发建设过程中，由于受 其本身地理和气候条件的限制，其产出的原油和天然气的输送已成为一个重要问 题。传统的油气输送方法是先分离，后进行单相输送，但这样使开采成本大为增 加。于是油气多相混输技术顺势而生，在沙漠油田和海上油田的开发中采用长距 离油气多相混输技术，将油气混输至处理站统一处理，取得了明显的经济效益n 1 。 因而以多相泵为核心的油气多相混输技术受到国外石油公司的高度重视并取得 了很大的进展。j ： 1 1 油气多相混输系统的应用 多相混输技术是近年来发展起来的一种高效经济的油田开发方式，它以一台 多相泵代替输液泵和气体压缩机，通过一条管道将油、水、气体、沙粒及石蜡等 组成的多相混合物输送到中心处理装置乜1 。与传统的开采方式相比，它具有以下 优势口1 ： ( 1 ) 在自然条件较恶劣的海洋和沙漠油田中，建设油气水集中处理站或处理 平台，不仅需要设置主体工艺系统，而且还要附以庞大的配套工程设施，耗资巨大， 而采用较长距离的单管多相混输工艺，就可以在更大的范围内收集众多油井的产 物，减少处理站或处理平台的建设数量，降低工程投资。 ( 2 ) 在海洋环境条件下，如果采用多相混输的方式，将油井的产出物通过数 十公里甚至几百公里长的海底管道输送到岸上集中处理站，就可以比采用气液分 输的方式减少一条管道的建设工程量，大幅度地节省一次性工程投资，缩短工期， 使油田尽快投入开发。 ( 3 ) 采用多相混输技术，可以使在油、气分输工艺技术条件下不具备开采价 值的一些边际油田获得经济有效的开发，如处于深水区域的小区块油田，沙漠腹 地的零散区块油田，一般陆地油田外围的边远小区块油田。 1 2 国外油气多相泵的研究现状及工程实践 1 2 1 国外多相泵产品概况 】 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 多相混输泵是多相混输系统中的核心设备，它是一种集常规液相泵和气体压 缩机性能与一体的多相增压装置。经过十几年的探索和研究人员的不懈努力，在 多相混输泵方面国外已研制出了近1 0 种不同类型的多相泵。按照使用场合的不 同，分为陆上多相泵和水下多相泵：按照工作原理的不同，又可以分为旋转动力式 多相泵和容积式多相泵，前者包括螺旋轴流式多相泵、离心泵等，后者包括双螺杆 泵、隔膜泵、线性活塞泵以及对转式湿式压缩机等h 3 。其中最具代表性的是海神 计划的研究成果螺旋轴流式多相泵和德国b o r n e m a n n 泵业公司生产的双螺杆式 多相混输泵悔3 ( 1 ) 双螺杆多相泵 螺杆泵属于容积式泵。双螺杆泵具有强制输气( 液) 的特点，因而无论含气 率如何变化，都可以强制性的将油气从入口经过压缩腔，压缩再推到排出口，性 能不会因为含气率的提高而大幅下降，所以它可以输送含气率较高的混合物。其 在设计上利用气体的压缩性成功地降低回流损失，提高了泵的容积效率。这种泵 在输送多相流时采用了气体压力渐进升高的方式，进口处压力升高缓慢，而出口 处压力升高较快，因而进口处回流损失较小，而回流则用于减少输送介质的含气 率，增大出口压力。双螺杆泵的两根转子啮合时互不接触，能输送含固体砂粒的 气液混合物。其应用也是最广泛的，但也存在输送流量较小，对泥沙敏感，螺杆 外缘与缸体磨损后，压力迅速降低，致使该型泵的工作可靠性低，维修量大，寿 命低，运行成本高。德国b o r n e m a n n 公司的双螺杆混输泵最为著名。它是是最早 的双螺杆式多相泵生产厂家它所生产的双螺杆泵1 9 9 2 年开始在国际市场销售， 已进入工业应用阶段。 ( 2 ) 螺旋轴流式多相泵： 螺旋轴流泵是借鉴了输送纯液体的泵和纯气体的压缩机的原理而创造出来 的，他可以输送液体、气体、气液混合物。其基本作用原理：多相流体在高速旋 转的叶轮中获得动能，并通过静止导叶的扩压作用实现动能向压力能的转换，同 时调整多相流体流动状态，为下一压缩单元的正常工作提供保证通过流道的优 化设计有效地减缓了多相介质利用叶片对油气混合物产生升力而进行加压，螺旋 型的叶轮和整流器又强迫输送介质沿轴向运动，有效地防止气液两相介质分在流 道内分离，从而保证均匀流动的要求。由于叶轮的高速旋转，进入叶轮中的介质 被加速，加速的介质经过整流器时，速度降低，其动能转化为压力能，从而使输 送介质每经过一个单元级，便增加一部分能量。在叶片式多相泵中，压力的不断 2 硕十学位论文 增加是通过能量传递和转化实现的1 。螺旋轴流式多相泵，由法国石油研究院发 明并获得专利，是著名的海神计划的研究成果，也称海神泵，其基本的工作原 理是通过叶轮的旋转运动使多相混合介质获得能量。目前海神系列多相泵已发展 到p 3 0 0 、p 3 0 1 、p 3 0 2 等多种型号，并在陆上和水下多相混合系统中进行了现场 试验1 9 9 2 年，该泵的研制者将其水力设计技术转让给f r a m o 和s u l z e r 泵业有 限公司，标志着以螺旋轴流式多相泵为核心的多相混输系统开始进人工业化应 用阶段盯1 。 1 2 2 多相泵的工程应用睁伽 第一套海底多相泵，于1 9 9 3 年首次在壳牌石油公司经营的d r a u t e n 油田安装 投入应用。这种泵的应用成功地提高了距离主平台约5 1 6 英里的r o g n s o u t h 卫星 油田的产量。海底多相泵使该油田日增产5 0 0 0 桶原油。s t a t o i l 公司1 9 9 7 年 s t a t o i l 公司首次在中国南海东部的陆丰油田安装了五套海底电力驱动泵。该油 田目前完全依靠海底多相泵进行生产。这也是将生产系统回接到f p s o 上的先导 性试验工程项目。在经过6 年多的连续生产之后，生产原油达4 0 x1 0 6 , - - - , 5 0 1 0 6 桶，仅有一台泵，因故障被收回，原因是井下封隔器发生故障，导致泵的进口被 完全堵死。e x x o r l m o b i l 公司在地处e q u a t o r i a lg u i n e a 海域的t o p a c i a 油田是 通过应用5 1 6 英里长的管线回接到z a f i r o 油井上而进行采油的。2 0 0 0 年将经过 改型的双泵模块安装在管汇结构中，所要求的停产时间仅为4 1 5 天，这其中包 括动力电缆的连接。投产后，原油产量每天提1 0 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 桶。应用这种泵所得 到的另外收益是消除了管道中的瞬变流量。a m e r a d ah e s s 公司2 0 0 2 年1 0 月， a m e r a d ah e s s 公司在地处e q u a t o r i a lg u i n e a 海域c e i b a 油田的c 3 和c 4 卫星 油田安装了两套双泵模块。独立式的泵模块通过跨越短管安装在2 4 6 0 英尺水深 处与海底生产系统的界面上。两台泵的应用提高了两口油井的产量，这两口油井 均回接到s e n d j ec e i b a 号f p s o 上，而f p s o 则锚泊在距油井4 1 4 英里大约9 0 英 尺的水深海域。每一套多相泵增压系统都与采油树与管汇之间的独立式增压站相 连。每个增压站的电能都是通过专用的海底电缆供给2 0 0 3 年1 0 月，在3 2 8 0 英里 的水深海域又安装了另外的三套双泵模块，这些泵站都回接到同一f p s o 上。每 个泵站都包括一台或两台泵以及一套用于优化生产的多相流量计。 这些事实足以证实这种多相泵增压技术应用的可行性，同时也展示了与该 项工艺技术相关的优点，并且体现出系统的耐用性与高可靠性，这在其他油田 得到证实。越来越多的油田经营者们，都在密切地关注着这种增压设备。 3 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 1 2 3 国内研究状况 目前，尽管欧美发达国家研发的多相增压设备达到了较高的水平，但其长寿 命和低故障率的问题仍未得到圆满解决。对这一技术指标要求较高的主要原因是 适于采用多相混输工艺技术的海洋、沙漠等自然条件恶劣的油田的生产管理大都 十分不方便，需要采用无人值守的操作管理方式，这就要求混输泵必须能够长期 无故障运行。我国目前尚无可与国际先进水平相比拟的多相混输泵产品，应当通 过引进、消化或自主研发，形成与国际先进水平接近的国产多相混输泵系列产品， 以取代昂贵的进口产品。 我国石油工作者很早就开始关注油气多相混输技术，早在6 0 年代大庆油田 就曾对三螺杆、单螺杆多相泵进行过开发研制，胜利油田在单螺杆多相泵方面也 进行过一些工作，但都因技术难度大，或这样那样的原因，未能进行深人研究。 9 0 年代以来，我国各大油田、石油公司、科研院所日益认识到多相输送的重要性、 紧迫性，油田现场对多相输送的要求也日益强烈，有关多相混输技术的应用研 究、特别是多相混输泵的引进成为人们关注的焦点。中国石油大学( 北京) 从1 9 9 6 年开始研究螺旋轴流式多相泵，研究了输送机理及结构设计、性能预测和内部能 量交换及试验研究，至m j 2 0 0 3 年，先后完成了四代原理机的性能试验研究。其间做 了许多国内开创性的研究工作，在叶片选型、扬程估算、性能预测模型的建立以 及内部流动规律研究方面都具备了一定水平阻。清华大学、西安交通大学、兰州 理工大学等对螺旋轴流式多相泵进行了研究工作取得了阶段性的成果。 1 3c f d 过程概述 1 3 1 计算流体力学软件c f x 简介n 2 3 a n s y sc f x 是全球第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件，c f x 软 件一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基 本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着c f d 技术的不断发展。目前，c f x 应用已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技 术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域。c f x 采用了先进的全隐式多重网格 算法，可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、 粒子输送过程、化学反应和燃烧等问题，还拥有诸如气蚀、多孔介质、相间传质、 非牛顿流、动静干涉、真实气体等大批实用模型。自从c f x 被纳入a n s y s 产品大家 族后，不到得到改进和完善，目前不需要第三方工具，能与a n s y s 结构软件直接 4 硕士学位论文 进行各种流固耦合分析。另外，c f x 与a n s y sb l a d e g e n 、a n s y st u r b o g r i d 软件可 以为旋转机械客户提供从设计，网格，求解到后处理的专业解决方案。本文选取 高级流体动力学软件c f x l 2 1 ，进行流场模拟。 1 3 2c f d 过程 ( 1 ) 建立控制方程 建立控制方程，是求解任何问题前都必须首先进行的。在这里研究的是两相 流的问题，由于不考虑传热性和压缩性，所以涉及到的控制方程有质量守恒方程 和动量守恒方程，同时还要考虑封闭湍流应力的湍流模型。 ( 2 ) 确定边界条件与初始条件 初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条 件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。初始条件是所研究对 象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于非定常问题必须给定初始 条件。对于稳定常问题，不需要初始条件。在这里采用的是定常求解，即求解过 程是与时间无关的。所以没有初始条件。仅仅给定边界条件。 ( 3 ) 划分计算网格 采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离 散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。 在这里使用i c e m 对模型进行网格的划分。i c e m 可以对模型的不同区域划分 不同大小的网格，这对于计算是有好处的，可以选择需要重点分析的地方进行网 格的加密n 引。 ( 4 ) 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解( 或称为精确解或解 析解) 的。但这需要通过数值方法把计算域内有限数量位置( 网格节点或网格中 心点) 上的因变量值当做基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代 数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上 的值则根据节点位置上的值来确定。 由于所引入的因变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同， 就形成了有限差分法、有限元体积法、有限元法等不同类型的离散化方法n 4 1 5 3 。 ( 5 ) 离散初始条件和边界条件 前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，如在静止的壁面上速度为 零，现在需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节 5 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 点上的值，这样，连同在各节点处所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行 求解。 ( 6 ) 给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界 条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。 ( 7 ) 求解离散方程 在进行了上述的设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。就可以利用求 解器对其求解了。 ( 8 ) 判断解的收敛性 对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步上的解，往往要通过多 次迭代才能得到。有时，因网格形式或网格大小、对流相的离散插值格式等原因， 可能导致解的发散n6 。因此，在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，并 在系统达到设定精度后，结束迭代过程。 ( 9 ) 显示和输出计算结果 通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个 计算的结果表示出来。这时我们可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、云 图等方式对计算结果进行表示。 1 4 本文研究内容 1 4 1 已往研究成果 课题组已经对压缩级、压出室进行了初步流动模拟；对入口均化气做了设计 和实验，并取得了较好的效果，已经解决了气液两相的入口均匀化混合问题，保 证了入口工况的稳定性。吸入室及静叶的设计优化工作也已经初见成效，取得了 预期效果不同含气率情况下保证混合介质较稳定均匀的流入转轮。 1 4 2 问题提出 由于气液两相的密度相差太大( 一般相差一到二个数量级) ，密度较大的液 体会在离心的作用下沿半径向外扩散，密度较小的气体会聚集在叶片根部或进口 附近的低压区产生气液分离。聚集的气体甚至会堵塞流道，排挤经过流介质，使 介质的速度增大，最后流道完全被气相填充，从而使泵失去工作能力，多级中气 液分离会随着级数的增加越发的严重。所以，目前大多数轴流式多相泵采用了动 静叶搭配来设计叶轮和控制气液分离。但是动静叶的搭配又进入了新的问题。 6 硕士学位论文 动静叶片的结合使用，虽一定程度上改进了叶轮进口堵塞和出口扩散问题。 但动静叶的配合并不完善，存在较大的冲击易造成气液分离。静叶片、动叶片之 间介质易产生冲击漩涡也会对下一级转轮效率造成影响。增加动、静叶轴向间距 虽有利于减小动静叶之间的冲击，但同时减弱了对混合介质的排挤作用( 对于气 液混合介质，排挤作用可以使气泡直径变小有利于保持气液混合均匀，减缓气液 两相沿流动方向的相态分离) ，增加了压缩级的长度。由此可见，寻找动、静叶 轴向间距的最佳值是一种提高多相泵效率的有效途径。 1 3 3 本文研究内容 本课题围绕y o h 一1 0 0 型多级轴流式油气混输泵的第二代样机，本课题组对气 液两相流、油气混输泵，进行了多年的研究，自行研制了y o h 一1 0 0 型油气混输泵， 并对该泵进行了数年的试验研究，结果表明，该油气混输泵输送介质含气率较高， 达到了预期设计的结果，但是效率比较低，能量损失较大，需要做进一步的优化 工作。 针对静叶轮、动叶轮之间、压缩级之间，介质易产生漩涡，造成气液分离， 形成堵塞和冲击损失，进而对下一级转轮效率造成影响的问题。通过探索多相泵 动、静叶片轴向间隙大小对压缩级性能的影响。在顾及轴向尺寸的条件下，寻找 动、静叶轴向间隙的最佳值。 本文在以往翼型选择，叶轮几何参数的研究的基础上，针对自行研制的 y q h - 1 0 0 轴流式油气混输泵第二代样机，调整动、静叶的间隙及压缩级间的间距， 通过对不同进口条件下动、静叶间的压力分布，速度分布及含气率变化及压缩级 出口断面上气液均相化程度的分析，在尽量不产生气液分离以及顾及轴向尺寸的 前提下寻找使水利损失尽量小的间距从而得出动、静叶间间距的最佳值。 1 3 4 本文构想 利用三维建模软件u g ( u n i g r a p h i c sn x ) 建立不同间隙下的三维模型并用网 格划分软件i c e m 划分计算网格；认为流场仅由气相及液相组成，且两相间存在滑 脱，流动过程为一个定常、等温过程，通过计算流体力学软件c f x 进行流场计算， 最后利用计算后处理c f d p o s t 分析流场及计算外特性；最后综合内外特性，两相 流理论及流体机械理论的出结论。 7 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 第2 章三维模型建立及网格生成 2 1 样机设计参数简介 以自行研发的y q h 一1 0 0 型多级油气混输泵第二代样机为基础，调整其动静叶 轴向间隙及压缩级间距，y q h i 0 0 型多级油气混输泵第二代样机的参数及几何参 数表见表2 1 、表2 2 。 表2 1y 伽一1 0 0 型多级油气混输泵第二代样机的参数表 入口含气率转速 流量( m 3 h )扬程( m )轴功率( k w )效率( ) ( )( r r a i n ) 1 0 08 5 5 55 0 2 9 5 02 5 表2 2y o h - 1 0 0 型多级油气混输泵的设计几何参数 轮毂比如 0 6 动叶叶片数z 4 叶 叶栅稠密度0 1 3 叶片平均安放角b 1 2 5 0 扬程系数 o 6 轮 流量系数丸 0 0 1 2 4 静叶叶片数z 9 2 2 计算域三维建模建立 利用三维建模软件u g ( u n i g r a p h i c sn x ) ，针对流动区域进行建模，在已完 成的动静叶模型基础上，分别延长动静叶进出口长度，建立若干满足不同动、静 叶轴向间隙及压缩级间距的动静叶轮通过u g 中的装配模块，将动叶、静叶组合在 一起，并适当延长进出口长度。由此建立在新的计算域模型。 本文共选取4 个动、静叶间隙( 即动静间距) 为l o m m 、1 5 m m 、2 0 m m 、3 0 m m 及在固定动静叶间隙条件下的4 个压缩级间距( 即静一动间距) 为l o m m 、1 5 m m 、 2 0 m m ，进口段长度为4 5 m m ，出口段长度1 5 m m ，建立单级模型4 个，两级模型3 个。以 8 硕十学位论文 动、静叶轴向间隙为l o m m 及压缩级间距为l o r e ( 动、静叶轴向间隙保持1 5 m m ) 为例。 图2 1 为动、静叶轴向间隙为l o m m 的计算域三维模型。图2 2 为压缩级间距为 l o m m ( 动、静叶轴向间隙保持l o m m ) 的计算域三维模型。 。j 锡氅 图2 1 单级计算域三维模型 图2 2 两级计算域三维模型 2 3 计算域网格划分 2 3 1 网格生成技术概述 网格生成技术是计算流体力学( c f d ) 的重要组成部分，在目前的c f d 工作 周期中，网格生成所需要的人力时间约占一个计算任务全部人力时间的6 0 左 右，并且c f d 计算的精度在很大程度上依赖于所生成的网格的质量。为了易于较 准确的满足边界条件，传统的做法是生成贴体的计算网格。常用的传统三维网格 生成方法大体分为代数生成方法、椭圆微分方程生成方法和双曲微分方程生成法 等三类n 7 1 。随着外形复杂程度的提高使生成单域贴体计算网格更加困难，为此， 近十多年来发展了不少新的分区结构网格和非结构网格方法。较成熟的结构网格 方法有： 对接网格方法； 重叠网格方法； 它们都属于分区网格生成方法，且与流场的分区计算方法以及并行计算方法 密切相关，并构成这些算法的基础。新一代的分区结构网格生成方法具有与c a d 系统良好的接口，并强调有效的数据结构。 非结构网格是另一种类型的计算网格。它舍去了网格节点的结构性限制，节 点和单元的分布是任意的，因而能较好的处理边界。非结构网格生成方法在其生 9 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 成过程中采用一定准则进行优化判定，因而能生成高质量的网格，且很容易控制 网格的大小和节点的密度。一旦在边界上指定网格的分布，在两个边界之间可以 自动生成网格，无需分块或用户干预。因而，近年来非结构网格方法受到高度重 视，有了很大发展。但由于流场计算的效率与精度问题，流场解算器的改造问题 以及非结构网格自身的一些缺陷，使得在目前的应用中还有一定的局限性n 8 1 。 ( 1 ) 分区对接网格生成技术 对于复杂多部件的几何外形( 或其他复杂流动的外形) ，生成单域计算网格 是困难地，即使勉强生成，网格质量不能保证，也影响流场数值求解的效果。因 此目前常采用分区网格，即根据外形的特点将流体分成若干个子域，对每个子域 分别建立网格。区域分解的基本原则是：各子域的边界简单，便于网格的建立； 各子域大小也尽量相同以实现计算负载的平衡。目前较成熟的构造复杂外形网格 的方法是分区对接网格方法，已积累了较多的经验，计算技术也较成熟。分区对 接网格的生成过程： 根据外形和流动特点分区，并确定每区中的网格拓扑； 生成表面网格； 生成交界面网格； 空间网格生成。 当表面和交界面上网格生成后，各区的边界即已确定，各区内空间网格原则 上可以用代数方法或求解椭圆方程的方法生成。 ( 2 ) 分区重叠网格 分区重叠网格是另外一种形式的分区网格，又称嵌入式分区网格，即在分区 网格中相邻子域的网格具有公共的或重叠的区域。由于不要求各子域共享边界， 大大减轻了各区内自身网格的生成难度。使用插值方法提供各子域间必要信息的 通讯来满足各子域流场解光滑要求的内边界条件，实现重叠区内交界面处各子域 流场解的匹配耦合，从而取得整个流场的解n 钔。 ( 3 ) 非结构网格 目前比较成熟的构造复杂外形网格的方法是分区的结构网格方法，然而若复 杂外形需要做局部修改或需改变其构型，则需重新划分区域和构造网格而耗费较 多的人力和时间，因此近年来人们逐渐重视研究另一类网格一非结构网格。非结 构网格的基本思想基于如下假设：四面体是三维空间最简单的形状，任何空间区 域都可以被四面体单元所填满，即任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格 1 0 硕十学位论文 所划分啪3 。由于非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的 大小、形状及网格点的位置，因此比结构网格具有更大的灵活性，对复杂外形的 适应能力非常强。此外，对结构网格，在计算域内网格线和平面都应保持连续， 并正交于物体边界和相邻的网格线和面；而非结构网格则无此限制，这就消除了 网格生成中的一个主要障碍；且其网格中一个点周围的点数和单元数都是不固定 的，可以方便地做自适应计算，合理分布网格的疏密，提高计算精度。正因为有 这一系列的优点，非结构网格技术自2 0 世纪8 0 年代末开始得到迅速的发展。 非结构网格虽然容易适应复杂外形，并具有其它的一些优点，但与结构网格 相比也存在一些缺点，主要有： 非结构网格方法需要较大的内存，因为必须记忆单元节点之间的关联 信息，且在计算过程中必须为梯度项开设存储空间，而且非结构网格 不具备方向性，必须记忆各坐标轴方向的梯度分量，使所需内存大为 增加。 在非结构网格中进行流场计算需要更多的c p u 时间，这不仅因为数据 结构的随机性增加了寻址时间，更主要是网格的非方向性导致梯度项 计算工作量的增大。 结构网格中成熟的流场解算方法尚不能简单的用于非结构网格。 不易应用多重网格技术。 ( 4 )自适应笛卡儿网格 笛卡儿网格( 矩形网格) 是c f d 计算中最早使用的，也是最易生成的一种网 格，但其较难处理好物面边界，因为不易较准确地满足边界条件。近年来人们开 始采用自适应笛卡儿网格来计算复杂几何形状地流场，即在原始的均匀笛卡儿网 格的基础上根据物形特点或流场特点在局部区域内不断进行网格细化，实现精度 符合要求、分布又是最合理的一种非均匀的笛卡儿网格。 2 3 2 网格生成软件i c e m - - c f d 概述 网格生成是数值模拟复杂流动现象的关键问题之一。网格生成的类型、质量， 直接影响到数值和计算精度，甚至影响数值计算的收敛性。对网格系统的要求一 般有如下几点瞳1 i ： 贴体性一网格应与求解区域的边界相适应； 光滑性一在求解域内应保证局部网格上的扭曲和拉伸缓慢； 正交性一物面和外边界附近的网格要正交或近似正交，以保证边界条 1 1 轴流式多相泵动静叶轴向间距对压缩级性能的影响 件处理的精度： 合理分布行一在流动参量变化剧烈的局部区域加密。同时，网格间距 大小要逐渐过渡。 目前世界上主要的网格划分软件有i c e m c f d ，g r i d g e n ，h y p e r m e s h ，g a m b i t ， p r o - a m ，i g g 等。本文选用i c e m c f d 来对流场区域进行网格划分。它是一款世 界著名的c f d 前后处理器，可为所有流行的c f d 软件提供高效可靠地分析模型。 它除了提供其他软件具有的普通前后处理功能外，还具有强大的c a d 模型修复能 力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术以及网格编辑技术。i c e m - c f d 软 件是目前c a e 业内最为同行认可的c f d 前处理网格生成软件，能制作出高质量的 六面体网格、四面体网格或者混合网格。它可以生成： 四面体智能网格一快速生成四面体网格； 三棱柱边界层网格一在四面体网格的基础上快速生成三棱柱边界层 网格( 四面体网格收缩，三棱柱网格“长出 ) ； 六面体网格一在复杂结构中构造子块拓扑空间( b l o c k ) ，可以将任 意复杂的形体划分成六面体网格； 四六面体混合网格一在连接处自动生成金字塔网格； 0 型网