圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)正交優(yōu)化分析

王少平，高本金，尹樹孟，周昌靜

（1．中海油基地集團(tuán)油田建設(shè)工程公司，天津300000；2．中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島266580）

圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)正交優(yōu)化分析

王少平1，高本金2，尹樹孟2，周昌靜2

（1．中海油基地集團(tuán)油田建設(shè)工程公司，天津300000；2．中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島266580）

針對圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用FLUENT系統(tǒng)建立圓盤泵流體動(dòng)力學(xué)分析模型，針對部分結(jié)構(gòu)特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。以獲得最大壓升為目標(biāo)，分別對影響圓盤泵最大壓升的單因素及多因素組合進(jìn)行分析。針對多因素制定5因素4水平正交試驗(yàn)表，并對16種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算仿真，得到影響圓盤泵最大壓升因素的主次順序及優(yōu)化方案。為圓盤泵的設(shè)計(jì)提供參考。

：圓盤泵；FLUENT；正交試驗(yàn)；數(shù)值模擬

圓盤泵是一種離心式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，由Sargent于1850年發(fā)明，由Ntkola Tesla進(jìn)一步研究并發(fā)展。最初設(shè)計(jì)的工作葉輪是1組圓盤，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要靠旋轉(zhuǎn)圓盤及液體之間的摩擦力進(jìn)行能量傳遞。因?yàn)檫^流部件表面的邊界層效應(yīng)，使其流體介質(zhì)與葉輪表面相對速度較小而形成保護(hù)層，且葉輪中間存在無葉區(qū)，從而可以最大程度地減小被輸送介質(zhì)與過流部件的接觸，降低圓盤葉輪表面沖擊和摩擦，保證圓盤葉輪具有較長的工作壽命和可靠性。圓盤泵特別適用于輸送含固體顆粒的流體介質(zhì)。

由于葉片泵理論與實(shí)踐的快速發(fā)展，圓盤泵不再受到重視。20世紀(jì)60年代，化學(xué)工業(yè)工藝流程有了新的進(jìn)步，高粘度石油礦藏的開發(fā)以及造船工業(yè)的發(fā)展，給圓盤泵的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。1970年，美國人Max I．Gurth在圓盤泵的試驗(yàn)方面獲得極大成功，申請多項(xiàng)專利，并于1982年成立Discflo公司，專注生產(chǎn)圓盤泵。1988年，通過試驗(yàn)研制成功了高揚(yáng)程圓盤泵，揚(yáng)程得到極大提高，使圓盤泵應(yīng)用得到極大推廣。高揚(yáng)程圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)如圖2所示［1－6］。

圖1 圓盤泵結(jié)構(gòu)

圖2 高揚(yáng)程圓盤泵葉輪結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)對圓盤泵的研究較少，資料也少，大多數(shù)產(chǎn)品開發(fā)是采用樣機(jī)開發(fā)—試驗(yàn)—參數(shù)修正的方法進(jìn)行。隨著CFD數(shù)值模擬技術(shù)的推廣，通過借鑒FLUENT進(jìn)行模擬試驗(yàn)，獲取圓盤葉輪結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，節(jié)約研發(fā)成本。

1 圓盤泵CFD模型建立

1．1 模型簡化原則

1） 圓盤泵葉輪形式較多，其葉片數(shù)因?yàn)榱髁恳蠖煌１疚膬H對2片圓盤間的流場進(jìn)行分析。

2） 考慮到建模的可操作程度和網(wǎng)格的劃分，將原來的圓形截面蝸殼簡化為矩形截面蝸殼，即在圓盤外緣處進(jìn)行流道封閉。

3） 為方便建模和網(wǎng)格劃分，將出口段截面形狀簡化為矩形，此假設(shè)會影響到出口管道局部的回流現(xiàn)象，但不影響總體流場趨勢。

4） 將泵進(jìn)口段和出口段適當(dāng)延長，保證了均勻的入口條件和充分發(fā)展的出口條件。

1．2 葉輪建模

由以上假設(shè)，利用Gambit軟件對2個(gè)圓盤間流道進(jìn)行建模，整個(gè)模型分為旋轉(zhuǎn)部件和非旋轉(zhuǎn)部件，其中圓盤壁面屬于旋轉(zhuǎn)部件，在電機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，通過摩擦作用帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)，壁面上凹槽是由于圓盤上存在凸脊形成的。如圖3。

圖3 圓盤泵計(jì)算流體模型

為節(jié)約建模時(shí)間，此處采用Gambit參數(shù)化建模的方法，首先利用AutoCAD軟件建立葉片二維草圖模型，輸出為．Sat格式并導(dǎo)入Gambit中，建立一個(gè)完整的圓盤泵流體計(jì)算模型；在此基礎(chǔ)上，運(yùn)行修改此文件的．jou日志文件即可產(chǎn)生不同參數(shù)的圓盤泵流體計(jì)算模型。為了降低網(wǎng)格數(shù)量，減小計(jì)算量，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在主葉輪區(qū)和出流段采用六面體網(wǎng)格，在入口段和葉輪中心區(qū)采用了四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如圖4。

圖4 計(jì)算流道網(wǎng)格劃分

1．3 邊界條件

1） 湍流模型 采用目前使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程模型。

2） 入口邊界 采用速度入口。式中，Q為體積流量；S為入口截面面積。

3） 出口邊界 由于出口壓力是不可預(yù)知的，同時(shí)也是流場分析需要得到的重要參數(shù)，故采用自由出口（Outflow）邊界。

4） 壁面邊界 圓盤壁面設(shè)為無滑移運(yùn)動(dòng)壁面，與圓盤流道內(nèi)的設(shè)定流體區(qū)域同時(shí)旋轉(zhuǎn)，其他為無滑移靜止壁面。

5） 坐標(biāo)系 圓盤流道內(nèi)設(shè)定的特定區(qū)域的流體設(shè)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他為靜止坐標(biāo)系。

6） 流場區(qū)域交界面 根據(jù)建模需要將整個(gè)流場劃分了幾個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域采用的坐標(biāo)系不同，為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域交界面的數(shù)據(jù)交換，將交界面設(shè)為交互的Interface邊界條件［7－9］。

2 單因素分析

2．1 不同外徑對最大壓升影響

圖5a為圓盤葉輪內(nèi)徑相同，圓盤凸脊數(shù)量及布置形式固定，圓盤外徑不同的圓盤葉輪CFD計(jì)算模型。利用FLUENT軟件對圖5a所示的模型進(jìn)數(shù)值分析，得到圖5b，流量為100m3／h，葉輪轉(zhuǎn)速為2 000r／min。由圖5b知，隨著圓盤葉輪外徑的增加，凈壓升呈直線遞增趨勢。

圖5 不同外徑圓盤泵計(jì)算模型和凈壓升變化曲線

2．2 不同內(nèi)徑對最大壓升影響

圖6a為圓盤葉輪外徑固定，自左向右內(nèi)徑逐漸增大的CFD模型示意圖，從圖中可以看到此時(shí)的出口段截面形狀和長度保持一致，由于內(nèi)徑的差異使的入口段存在較大差異，但由于對入口段做了延伸處理，保證了模擬分析有一個(gè)充分穩(wěn)定的入口條件。

圖6b為流量為100m3／h，葉輪轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，圓盤外徑一定，圓盤泵凈壓升隨圓盤內(nèi)徑變化曲線。從圖中可以看出，隨著內(nèi)徑的增大，凈壓升值逐漸降低的變化趨勢。

圖6 不同內(nèi)徑圓盤泵計(jì)算模型和凈壓升變化曲線

2．3 不同圓盤間距對最大壓升影響

不同圓盤間距下，圓盤泵凈壓升隨圓盤間距變化曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著圓盤葉輪間距的增大，凈壓升先增大后減小，最大凈壓升并沒有出現(xiàn)在圓盤間距最小的情況下，其最大壓升出現(xiàn)在某一值后，隨著圓盤間距的增大，其最大壓升逐漸減小。

圖7 不同圓盤間距下圓盤泵凈壓升變化曲線

圖8所示為不同凸脊（葉輪）高度下圓盤泵凈壓升比變化曲線。由圖8可以看出，在某一圓盤間距下，隨著凸脊高度所占圓盤間距比例的增大，圓盤泵凈壓升比重增加；在15%～30%的比例情況下，其凈壓升值變化不大。

圖8 不同凸脊（葉輪）高度下圓盤泵凈壓升比變化曲線

3 正交試驗(yàn)分析

3．1 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

正交設(shè)計(jì)是多因素的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，也稱為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。其過程是在全部試驗(yàn)樣本中挑選出部分代表性的樣本點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，且這些點(diǎn)具有正交性，正交表利用正交性原理編制并已標(biāo)準(zhǔn)化，科學(xué)安排試驗(yàn)方案并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析［10－11］。

本文以獲取圓盤泵最大壓升為目標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析。從目前掌握的圓盤泵相關(guān)研究資料分析可得，影響壓升的因素包括圓盤外徑、圓盤間距、圓盤內(nèi)徑，流量、流體粘度密度特性等。由于圓盤泵性能受流體特性影響較明顯，為使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性和提高試驗(yàn)精度，降低試驗(yàn)干擾因素影響，按照均衡分布的思想，對不同粘度和密度組合進(jìn)行區(qū)組設(shè)計(jì)。同時(shí)在圓盤外徑因素中采用擬水平法，用標(biāo)準(zhǔn)正交表來安排試驗(yàn)。在此僅考慮5個(gè)因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)L16（45）并進(jìn)行編碼，如表1所示。

表1 因素水平

3．2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為評價(jià)上述5種不同因素對圓盤泵揚(yáng)程的影響，尋找影響圓盤泵揚(yáng)程的主次因素及其優(yōu)化方案，此處針對其正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，分析結(jié)果如表2所示。由表2極差分析可知：對壓升影響最主要的因素是圓盤外徑，其下依次為圓盤內(nèi)徑、圓盤間距、流量，由此確定最佳參數(shù)組合為A3B3C1D1。也就是說流體在圓盤葉輪流道內(nèi)經(jīng)圓盤過流區(qū)域越大，流量較小，圓盤間距越小的情況下，可以獲得更大壓升值。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

續(xù)表2

4 結(jié)論

1） 通過對圓盤泵葉輪流道進(jìn)行合理的簡化后，利用Gambit建立參數(shù)化模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，給出湍流模型、邊界條件以及求解策略，為類似結(jié)構(gòu)的CFD分析提供了有效的方法。

2） 利用FLUENT軟件分別針對影響圓盤泵最大壓升的參數(shù)進(jìn)行單因素分析。在相同參數(shù)下，圓盤泵凈壓升隨葉輪外徑的增大而增大，隨圓盤葉輪內(nèi)徑的增大而減小；在圓盤葉輪其他參數(shù)不變的情況下，圓盤泵凈壓升隨圓盤間距的增大，其最大壓升先升高后降低；在圓盤葉輪其他參數(shù)不變的情況下，圓盤泵凈壓升隨圓盤凸脊高度的增大而增大，但當(dāng)凸脊高度大于圓盤間距的15%以后，凈壓升不再隨凸脊高度的變化而變化。

3） 以獲得最大壓升為試驗(yàn)優(yōu)化目標(biāo)，綜合擬水平法和區(qū)組試驗(yàn)原則，利用正交試驗(yàn)的原理，制定正交試驗(yàn)表，對16種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過方差分析確定圓盤葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)規(guī)律，為圓盤泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)提供參考依據(jù)。

［1］ Max I Gurth．Rotary Disc Pump：United States Patent， 4940385［P］．1990－07－10．

［2］ Max I Gurth．Method and apparatus for pumping large solid articles：United States Patent，4335994［P］．1982－06－22．

［3］ Max I Gurth．Method and apparatus for pumping fragile articles：United States Patent，4514139［P］．1985－04－30．

［4］ Max I Gurth．Method for pumping fragile or other article in a liquid medium：United StatesPatent，4768920［P］．1988－09－06．

［5］ Max I Gurth．Rotary disc slurry pump：United States Patent，4773819［P］．1988－09－27．

［6］ Max I Gurth．Rotary Disc Pump：United States Patent，7097416B2［P］．2006－08－29．

［7］ 周昌靜，陳國明，高本金，等．海底泥漿舉升葉片圓盤泵軸向力預(yù)測［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（3）：28－31．

［8］ 周昌靜，陳國明，徐長航．葉片圓盤泵固液兩相流動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬［J］．中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，34（5）：147－151．

［9］ 黃志凌，馮勇建．不同形狀葉輪對潛油離心泵內(nèi)數(shù)值流場的影響［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（3）：36－39．

［10］ 韓占忠，王 敬，王小平．Fluent流體工程仿真實(shí)例與應(yīng)用［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2004．

［11］ 欒 軍．現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1995．

Optimization on Structural Parameter of Disc Pump Impeller Based on Orthogonal Digital Simulation

WANG Shao－ping1，GAO Ben－jin2，YIN Shu－meng2，ZHOU Chang－jing2
（1．Oilfield Construction Corporation，CNOOC Base Group，Tianjin300000，China；2．Centre for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

According to the impeller structure characteristics of the disc pump，the CFD models，which realized the parametric modeling on parts of structure and operation parameters，were established，by using the FLUENT software．Aiming at obtaining the biggest pressurizing，the single factor or multi－factors were analyzed separately，and a 5factors 4levels orthogonal experiment table was formulated，and CFD analysis was applied on 16kinds of structure separately，in consequence．On the basis of the orthogonal experiment results，an optimum structure was proposed and the primary and secondary factor orders，which may affect the maximum pump head，were obtained．This may provide the reference for the designation of the disc pump．

disc pump；FLUENT；orthogonal design method；numerical simulation

book=36,ebook=36

TE952

：A

1001－3482（2012）06－0058－05

2012－02－10

國家科技重大專項(xiàng)課題“深水油氣田開發(fā)鉆完井工程配套技術(shù)”（2008ZX05026－001－12）

王少平（1960－），男，海南人，高級工程師，1982年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，主要從事海洋石油工程領(lǐng)域的技術(shù)工作，E－mail：wangshp3＠cnooc．com．cn。