基于数值模拟与熵产理论的电潜泵内流特性.pdf
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1、 年 月 第 卷 第 期 张绍广基于数值模拟与熵产理论的电潜泵内流特性张绍广,杭建伟,施宇晖,杨阳,杜丹阳,宋相宇,周岭(中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 ;江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心,江苏 镇江 ;扬州大学水利科学与工程学院,江苏 扬州 ;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 ;浙江振兴石化机械有限公司,浙江 温州 )收稿日期:;修回日期:;网络出版时间:网络出版地址:基金项目:国家自然科学基金资助项目()第一作者简介:张绍广(),男,新疆昌吉人,高级工程师(),主要从事海上油田生产技术研究通信作者简介:杭建伟(),男,江苏扬州人,硕士研究生(),主要从事流体机
2、械内部流动机理研究摘要:为揭示电潜泵运行过程中的内流特性,采用数值模拟方法结合熵产理论研究了不同流量工况下电潜泵的能量特性与流动特征 对比分析了主要过流部件中体积平均熵产率、种不同类型熵产及总熵产数量、涡核形态、壁面熵产分布随流量增大的变化规律与级间差异 结果表明:电潜泵在流量增大过程中,各级叶轮与导叶中的熵产存在先降后升的现象,其中导叶部分熵产最大 速度脉动熵产远高于壁面效应及时均过程引发的熵产,占据了总熵产的绝大部分,是导致能量损失的主要因素 在大流量工况下,随着级数的上升,过流部件的能量损失呈明显逐级上升的趋势 各级叶轮及导叶中,涡核数量及尺度随流量增大而先减后增,与熵产损失随流量上升的
3、变化规律相吻合 基于熵产的量纲为一的湍流耗散系数,能够直观地确定过流部件中产生回流的位置 研究结果能够为电潜泵的节能优化设计提供一定的参考关键词:电潜泵;数值模拟;能量损失;熵产分析中图分类号:文献标志码:文章编号:():张绍广,杭建伟,施宇晖,等 基于数值模拟与熵产理论的电潜泵内流特性 排灌机械工程学报,():,(),():(),(,;,;,;,;,):,排灌机械工程学报第 卷 ,:;电潜泵作为一种电动多级离心泵,具有扬程高、运行稳定、流量适应范围广等优点,在石油开采、地下水抽取、地热开发等行业中应用广泛 电潜泵外径受到井壁限制,具有直径小、轴系长的显著特点 ,其内部流动较普通离心泵更为复杂
4、 电潜泵由多级叶轮、导叶串接组成,每级叶轮均在长轴的牵引下按照相同的转速同步旋转,流道内压力逐级递增,各级呈现出不同的流动形态与能量特性,这进一步增加了其内部不稳定流动的复杂性 因此,在电潜泵设计开发过程中,如何高效、精准地对其能量特性和内部流场进行量化分析,对于降低水力损失、提高运行效率至关重要对于能量损失的分析,传统的方法是通过内部流场中的压力场和速度场的分布来间接获得水力损失的范围,难以直观地了解能量损失发生的特定区域 近年来,有研究针对流体机械中流动损失问题,引入热力学熵产概念,提出了采用熵产分析方法来量化由流动不可逆过程引起的能量损失 ,得到了越来越多学者的认同 等 研究了叶轮叶顶间
5、隙对混流泵内部流场和水力损失的影响,根据熵产分析发现,叶尖泄漏流的增大会加剧叶轮内的能量损失 张帆等 利用熵产分析方法直观地展示了侧流道泵的高水力损失区域 赵凯尧等 对不同流量工况下旋流泵的能量损失及内部流动进行了研究,通过熵产分析确定了旋流泵能量损失最大区域在无叶腔与后腔 张永学等 为了揭示离心泵水力损失的大小和位置,使用熵产方法对离心泵能耗进行了分析 结果表明,高熵产的区域分布在叶轮和蜗壳中,且由壁面效应和速度脉动引起的熵产占比较大 等 利用熵产理论分析了不同叶片厚度分布下水力损失的种类、大小和位置 结果表明,叶片尾缘流动边界层分离引发的熵产是导致水力损失的主要因素 冯建军等 利用熵产方法
6、分析了事故断电时离心泵流场中的能量损失分布 结果表明,能量损失与流场内部的流动分离、回流和旋涡等不良流动现象有关 等 通过比较流场熵产数值大小评估了不同型线叶片的污水自吸泵的能量损失,得到了节能效果最优的叶片选型然而,利用熵产分析方法研究电潜泵中能量损失特性的成果仍较为缺乏,损失机理尚未明晰 因此,文中选取三级电潜泵为研究对象,通过熵产分析方法,展示电潜泵不同流量工况下的能量损失与流动特征,并针对各级叶轮与导叶中损失与流动的级间差异展开详细讨论 熵产理论根据热力学第二定律,熵产是由传热、摩擦以及流动黏性耗散等不可逆过程引起的 通常在泵流动中,可以认为温度是恒定的 ,故可忽略传热过程引起的损失
7、通过计算泵各过流部件的熵产,能够直观表征流动损失产生的区域,同时量化流场内的能量损耗 泵内流动引发的熵产主要是由时均过程、速度脉动以及壁面效应 个部分构成由时均过程产生的熵产率,也称为直接熵产率,计算公式为 第 期张绍广,等基于数值模拟与熵产理论的电潜泵内流特性 ,()()()()()(),()由速度脉动产生的熵产率,也称为湍流熵产率,计算公式为 ,()()()()()(),()式中:为流体动力黏度;为温度;,均为速度分量在 湍流模型 中,湍流熵产率计算公式为 ,()式中:;为湍流涡频率,;为湍动能,由壁面效应产生的熵产率计算公式为 ,()式中:为壁面剪切应力,;为壁面第一层网格处的速度,因此
8、,总熵产 ,可由以上 种熵产率在计算域中积分后求和得到 ,(),(),(),()式中:,分别为过流体积和面积 模型建立及数值计算 模型建立文中选取三级电潜泵为研究对象,其各项设计参数中,设计流量 ,扬程 ,额定转速 叶轮水力几何参数中,进口内径 ,进口外径 ,出口内径 ,出口外径 ,叶片数 ,进口安放角 ,出口安放角 ,包角 导叶水力几何参数中,进口内径 ,进口外径 ,出口内径 ,出口外径 ,叶片数 ,进口安放角 ,出口安放角 ,包角 计算模型由进口、叶轮、导叶和出口组成 为了使进出口的流动充分发展,进出口段长度分别为叶轮进口外径的 倍和 倍 采用 软件对整体计算区域进行建模,如图 所示图 计
9、算域几何模型 网格划分为了验证网格尺寸及数量对数值计算的影响,划分了 组不同密度的网格进行计算,随着网格数的增加,扬程趋于稳定 考虑到计算成本和精度,选择总网格数为 的方案进行数值计算文中采用 以及 进行了结构网格划分,叶轮和导叶网格如图 所示 叶轮和导叶叶片表面的 分布如图 所示 从图中可以看出,值主要在 ,基本满足壁面函数适用范围 图 计算域结构网格 图 叶轮与导叶叶片 分布 模拟设置文中采用 进行稳态数值计算,选取在旋转机械中广泛应用的 湍流模型 计 排灌机械工程学报第 卷算中流体介质为 清水,进出口边界条件分别设置为参考压力进口、质量流量出口 固体壁面边界条件设为非滑移,近壁面采用标准
10、壁面函数,设置收敛残差为 试验验证 试验装置为验证数值计算的准确性,对三级电潜泵实体模型进行了测试,相关试验设备如图 所示 试验在流体机械综合试验台上进行,电潜泵的叶轮与导叶等水力部件均由不锈钢材料精铸制成,以保证模型的尺寸精度 叶轮和导叶的实体模型如图 所示图 试验装置示意图 图 实体模型 试验结果电潜泵扬程 、效率 和轴功率 的数值模拟和试验结果如图 所示 在全流量条件下,模拟与试验所得的扬程相当接近 由于模拟计算中忽略了试验中存在的部分机械损耗,如因长轴系引发的传动损失、润滑不足引发的摩擦损失等,导致数值计算预测的轴功率略低于试验值 这也是模拟效率高于试验值的主要原因 但模拟的效率和功率
11、的变化趋势与性能测试结果基本一致,说明文中的数值计算结果基本可靠图 电潜泵外特性试验模拟结果对比 结果分析 不同流量下叶轮与导叶的平均熵产率为定量分析电潜泵内部的能量损失,对主要过流部件叶轮及导叶中的熵产进行了计算 为便于比较,对不同流量工况下各级叶轮、导叶中的熵产进行体积积分平均,得到的熵产体积平均值 为 ,()式中:为相应过流部件的总熵产图 为不同流量工况下,各级导叶及叶轮中 的变化情况图 各级导叶及叶轮内平均熵产率 图 中,分别表示首级、次级、末级导叶;,第 期张绍广,等基于数值模拟与熵产理论的电潜泵内流特性分别代表首级、次级、末级叶轮 可以看出,随着流量逐渐增大,各级导叶内 呈现出先下
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