三级螺旋轴流式混输泵可压缩流场数值模拟-农业机械学报.PDF

２０１４年９月 农 业 机 械 学 报 第４５卷 第９期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０９．０１５ 三级螺旋轴流式混输泵可压缩流场数值模拟 张金亚　蔡淑杰　朱宏武　杨　珂　强　睿 （中国石油大学机械与储运工程学院，北京 １０２２４９） 摘要：以水和可压缩空气为介质，在不同入口含气率工况下对一台三级混输泵内流场进行定常和非定常数值模拟， 三级叶轮几何参数相同。水为主相，采用ｋ ＳＳＴ湍流模型；空气为第二相，采用零方程模型。模拟预测三级泵的 ω 性能与实验结果吻合良好。流场模拟结果显示：由于气体可压缩，流体由第 １级输送到第３级过程中，含气率逐渐 降低，总体积流量也不断降低；由于气液两相所受离心力的不同，含气率从轮毂到轮缘逐渐降低；随着入口含气率 的增加，第１级叶轮的增压值逐渐降低，第２级和第３级的增压值呈先增大后减小的趋势；受叶片动静干涉作用以 及有限叶片数的影响，各级叶轮与导叶衔接处平均压力有所下降；在入口含气率小于１０％或大于８０％工况下，三 级叶轮增压相近，可以作为不可压流体设计或模拟，在其它入口含气率工况下，应该将介质考虑为可压缩流体。 关键词：螺旋轴流式混输泵　可压缩流场　数值模拟　含气率 中图分类号：ＴＨ３１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）０９００８９０７ 　　引言 １　ＨＡＭＰＰ计算模型 多相混输泵按工作原理分为叶片式和容积式， １１　数值模拟方程 在叶片式多相混输泵中，螺旋轴流式混输泵（Ｈｅｌｉｃｏ １１１　控制方程 ａｘｉａｌｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｐｕｍｐ，ＨＡＭＰＰ）以其体积小、排量 采用欧拉 欧拉多相流模型，选择纯水和理想可 大、抗砂能力强和安装维修方便等优点被认为是水 压缩空气作为介质，其中纯水作为主相，理想气体作 下液气生产系统中的理想选择［１－７］。 为第二相。假设气液两相流流型为泡状流，且同时 在ＨＡＭＰＰ的理论研究方面，李清平等［８－１１］提 满足质量和动量守恒，基本方程如下所示： 出了混输泵叶轮的设计方法，即将多级混输泵分为 连续性方程 Δ 若干段，每段由３～５个增压单元（一个叶轮和一个 （ ）＋ （ ｕ）＝０ （１） αρ αρ ｋ ｋ ｋ ｋ ｋ ｔ  导叶组成一个增压单元）组成，假设介质在每一段 动量方程 内为不可压缩流体。讨论了不同操作工况对泵性能 Δ Δ  （ ｕ）＋ （ ｕ ｕ）＝－ ｐ＋ 的影响，以寻求最优工况并对叶轮的几何结构进行 αρ αρ  α ｋ ｋ ｋ ｋ ｋ ｋ ｋ ｋ ｋ