基于計(jì)算機(jī)仿真的潛油泵葉導(dǎo)輪壓力場(chǎng)優(yōu)化分析

黃新春 李令喜 蔣召平 孫靖云 杜丹陽(yáng) 李越

摘 要：潛油泵是海洋石油開(kāi)采的主要設(shè)備，而葉輪和導(dǎo)葉是潛油泵的核心單元。本文主要采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，對(duì)潛油泵的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行仿真分析，采用直觀的方法分析壓力場(chǎng)并作出優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明，葉輪和導(dǎo)葉流場(chǎng)中存在湍流動(dòng)能損失，反映出最初設(shè)計(jì)時(shí)葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度不吻合，可以作為參數(shù)改進(jìn)依據(jù);二次流場(chǎng)優(yōu)化后，性能參數(shù)提高明顯，效率最高可提高5個(gè)百分點(diǎn)，揚(yáng)程最高可提高4m。二次改進(jìn)如果未達(dá)到要求，可進(jìn)行后續(xù)三次持續(xù)改進(jìn)，直至達(dá)到預(yù)期效果。本文驗(yàn)證了葉輪導(dǎo)葉的流場(chǎng)優(yōu)化分析的可行性，可為潛油泵性能優(yōu)化改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：葉導(dǎo)輪;壓力場(chǎng);優(yōu)化

潛油電泵是海洋石油開(kāi)采的主要主要設(shè)備。葉導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)又是潛油電泵設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán)決定了潛油電泵運(yùn)行穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的葉導(dǎo)輪設(shè)計(jì)僅僅是經(jīng)驗(yàn)的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)的積累。并不能形象的展現(xiàn)葉導(dǎo)輪流場(chǎng)的狀態(tài)，更不能針對(duì)于葉導(dǎo)輪的流場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于以上原因本文采取數(shù)值仿真的方式，完整的針對(duì)于潛油電泵葉導(dǎo)輪流場(chǎng)優(yōu)化分析，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供借鑒意義。

1 模型建立

1.1 軟件建模及網(wǎng)格劃分

本次建模采用CFturbo和UG進(jìn)行輔助建模。計(jì)算機(jī)建模擺脫“點(diǎn)→線→面→體”建模思路。本文采用是采用的建模思路是“CFturbo建模→UG修正”的新型的建模方式。建立包括葉輪、導(dǎo)葉模型。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2 無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文采用不同的網(wǎng)格輸量計(jì)算模型揚(yáng)程，比較計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。

隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，揚(yáng)程、效率變化較小。考慮到計(jì)算機(jī)的配置，本文選用第三組方案中的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行后續(xù)的仿真分析工作。

2 仿真優(yōu)化分析

仿真分析運(yùn)用軟件ANSYS-CFX 14.5，選用模型為k-ε湍流模型，設(shè)置收斂精度為10-4避免采用標(biāo)準(zhǔn)壁面設(shè)置，沒(méi)有滑移的邊界條件，采用壓力進(jìn)口方式，初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓即可。

2.1 初始設(shè)計(jì)分析

葉導(dǎo)輪流場(chǎng)優(yōu)化分析，主要分析葉輪和導(dǎo)葉水體部分的流場(chǎng)性質(zhì)變化，突破傳統(tǒng)的分析方法，采用直觀分析到反設(shè)計(jì)參數(shù)修改再到直觀分析一個(gè)完整的閉環(huán)分析設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程。

設(shè)置初始的葉導(dǎo)輪數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真分析。仿真分析了不同出口流量，針對(duì)前文所建立的模型核心部件（葉輪和導(dǎo)葉）在表1的流量工況下（200m3/h、350m3/h）進(jìn)行分析。

由圖可以看出，三種工況下葉輪和導(dǎo)葉流場(chǎng)靜壓力分布比較相似，也驗(yàn)證了同等模型參數(shù)下，不同同等模擬工況下，模型流場(chǎng)壓力分布變化較小。葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)口處均存在低壓區(qū)，分布于葉片作用面入口處存在數(shù)值變化比較大的壓力梯度。所以，通過(guò)流場(chǎng)分析，設(shè)計(jì)過(guò)程中，流場(chǎng)中盡量減少低壓區(qū)的存在。如果形成較大的低壓區(qū)，這就說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程中偏離了理想中的設(shè)計(jì)工況，從具體參數(shù)的角度來(lái)講，葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度不吻合，液流進(jìn)口產(chǎn)生較大的沖擊，產(chǎn)生液流損失產(chǎn)生低壓。由圖可以看出，葉片面存在存在較大的湍動(dòng)能區(qū)域，從另一個(gè)角度說(shuō)明了液流在流經(jīng)流道過(guò)程中，產(chǎn)生回流二次沖擊葉片，從而引起較大的能領(lǐng)損失。所以根據(jù)流場(chǎng)分析根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整葉導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)節(jié)包角直徑等相關(guān)參數(shù)，反設(shè)計(jì)重新驗(yàn)證觀察。

2.2 二次設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

根據(jù)初始設(shè)計(jì)中流場(chǎng)的分析，找到設(shè)計(jì)中存在的可能缺陷，調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行二次流場(chǎng)優(yōu)化。具體優(yōu)化參數(shù)見(jiàn)表。

二次優(yōu)化仿真結(jié)果如下：

葉導(dǎo)輪二次流場(chǎng)優(yōu)化后，由圖可以看出流場(chǎng)得到了比較明顯的改善，壓力梯度數(shù)值變化較小，低壓區(qū)分布區(qū)域減小，從具體參數(shù)的角度來(lái)講，葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度處于逐漸趨于吻合的趨勢(shì)。優(yōu)化后反應(yīng)出液流的二次沖擊也處于減小的趨勢(shì)，二次優(yōu)化結(jié)果可以根據(jù)預(yù)期再進(jìn)行三次優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方法與前文相同。

2.3 二次設(shè)計(jì)優(yōu)化性能對(duì)比

將兩次仿真結(jié)果參數(shù)進(jìn)行性能分析，導(dǎo)出揚(yáng)程和效率的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行性能對(duì)比分析。

通過(guò)圖可以看出，進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)和流場(chǎng)優(yōu)化過(guò)后，比較了優(yōu)化前后的揚(yáng)程和效率具體數(shù)據(jù)，可以看出，優(yōu)化后的效率和揚(yáng)程得到預(yù)計(jì)的改善，優(yōu)化數(shù)值相對(duì)明顯，二次優(yōu)化后的效果有所提高。效率最高可以提高5個(gè)百分點(diǎn)，揚(yáng)程最高可以提高4m。當(dāng)然這只是二次改進(jìn)，具體最終的優(yōu)化效果，還要進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)最終的改進(jìn)結(jié)果。

3 結(jié)論

①通過(guò)對(duì)葉輪導(dǎo)葉流場(chǎng)的流場(chǎng)分析得出，流場(chǎng)中存在湍流動(dòng)能損失，反映出最初設(shè)計(jì)時(shí)葉片的進(jìn)出口安放角度與液流角度不吻合，可以作為參數(shù)改進(jìn)依據(jù);②二次流場(chǎng)優(yōu)化后，性能參數(shù)提提高明顯，效率最高可以提高5個(gè)百分點(diǎn)，揚(yáng)程可以最高可以提高4m。后續(xù)改進(jìn)可以循環(huán)進(jìn)行直至達(dá)到預(yù)期的結(jié)果;③本文主要針對(duì)葉輪導(dǎo)葉的流場(chǎng)優(yōu)化進(jìn)行研究分析，驗(yàn)證了葉輪導(dǎo)葉流場(chǎng)優(yōu)化的可行性。本文建立在數(shù)值仿真基礎(chǔ)之上，可以與具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合修正。

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作者簡(jiǎn)介：

黃新春（1984- ），男，工程師，碩士，主要人工舉升相關(guān)工作，公司：中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)機(jī)械采油分公司。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“渤海油田高效采油工程及配套技術(shù)示范”（2016ZX05058-003-019）資助。