气相压缩性对气液混输泵设计工况点性能的影响

为研究气相压缩性对气液混输泵性能的影响规律，以螺旋轴流式气液混输泵为研究对象，采用欧拉-欧拉双流体模型，在20%～80%进口含气率范围内对混输泵设计工况点进行数值计算，分析气相压缩性对混输泵外特性曲线和内流场的影响。研究表明，在高含气率下气相可压缩性对混输泵的外特性预测结果影响明显增大；考虑气相压缩性后，混输泵叶轮单个流道内最先出现气堵问题，并且气相压缩性明显影响叶轮叶片上压力载荷分布以及叶轮内的气液两相的相间速度差分布。     

新一代螺旋轴流式多相泵的外特性试验研究

多相混输技术使得未经处理的多相井流或其它多相流体能够在无需分离的前提下实现长距离输送。作为多相混输核心技术之一,螺旋轴流式多相泵与其它多相泵相比具有独特优势,诸如排量大,结构简单、紧凑,对固体颗粒不敏感等。在创建新试验台的基础上,本文以中国石油大学（北京）自主研发的新一代螺旋轴流式多相泵为研究对象,在不同工况下对其进行外特性试验研究。叙述了新一代螺旋轴流式多相泵试验样机的基本特征及新试验台架的基本特点,通过试验测定了多相泵的运行稳定性及多相混输性能。实验表明,新一代螺旋轴流式多相泵能够输送单相或多相流体,并且测定了转速、进口含气率、吸入压力等参数对多相泵性能的影响。多相泵的性能随着转数和进口吸入压力的提高得到明显改善：增压提高,高效区变宽,最优工况对应的流量增大。当含气率升高时,多相泵内两相流体产生速度滑移,泵内流型发生转变,导致多相泵振动、性能不稳定,多相泵的增压能力降低。通过和前几代多相泵进行对比,总结了本多相泵性能的特征,为今后多相泵的设计提供了依据。试验研究发现入口气液混合程度的好坏对泵的外特性及工作稳定性有很大影响,文章最后讨论了在多相泵入口设置均混器的必要性以及试验所用均混器的基本特征。     

多相混输泵的流场模拟及样机研制北大核心CSCD

针对天然气水合物合成系统试验回路中的气液混输问题,提出了一种轴流式多相混输泵的设计。基于N-S方程和SST k-ω湍流模型对该多相混输泵的内部流场进行数值模拟,对比分析了纯水和进口含气率为50%时外特性的差异,揭示了内部流动规律。结果表明,纯水和进口含气量为50%的状态下,扬程均随流量的增大而单调减小;效率均随流量的增大而先增大后减小,在同一流量点,纯水时的效率比进口含气量为50%工况下的效率高约1%;轴功率均随流量的增大而单调减小,在同一流量点,纯水时的轴功率约为进口含气量50%工况下的2倍。同时制作了样机,应用于天然气水合物合成系统的试验回路中,验证了该混输泵具有较强的气液混输能力。研制的多相混输泵可应用于天然气水合物合成系统试验回路中或者其他高压环境下的气液混输场景。     

新型螺旋轴流式混抽泵增压单元的结构设计

为满足高含气油藏及煤层气田开发的需要,自主设计了一种新型井下混抽泵增压单元,并讨论了主要设计参数的选取原则和范围,确定了增压单元的设计参数.该增压单元采用柱形轮毂、锥形轮缘的结构,具有结构简单紧凑、轴向力小、混抽效果好、适用范围广等优点.并利用CFD软件Fluent及其预处理软件Gambit,模拟了增压单元内的三维紊流场,给出了模拟和试验结果的外特性.     

螺旋轴流式多相泵高速变速下多相输送性能的研究

以石油大学(北京)所设计的第三代螺旋轴流式多相泵为研究对象，分别以清水、空气-水为试验介质，系统地研究了多相泵在高速变速下的清水外特性和多相输送时不同的进口含气率、进口压力、进口混合物密度和转速等对多相输送性能的影响，为多相泵的工业应用设计提供更进一步的试验参数。     

泡状入流条件下旋流泵气液两相流动特性

为研究泡状入流条件下旋流泵内气液两相流动特性规律,对旋流泵进行了全流道数值模拟,并通过试验对其进行验证,分析不同入口体积含气率及不同液相流量对旋流泵内部流动结构演化的影响,并探讨流动结构与外特性的关联。结果表明,在1%～20%入口体积含气率条件下,气泡进入旋流泵后大部分聚集在叶轮轮毂附近,泵内气液两相流型主要有3种,分别为凝聚气泡流、气囊流和气液分离流;当入口体积含气率为1%时,液相介质中少量气体的混入有助于泵压升和效率的提高,而当含气率增大到5%时,泵内循环流旋涡数量增多,并且向无叶腔内聚集,从而增加了能量耗散,导致泵做功能力降低,进而降低了泵的性能。研究结果可为气液两相条件下旋流泵的优化设计和选型提供参考。     

叶片式气液混输泵全流道内流场特性分析

有关叶片式气液混输泵全流道内流场特性的研究还不充分,因此选取空气-水作为输运介质,基于ANSYS_CFX对一叶片式气液混输泵进行全流道数值模拟。计算域采用ICEM_CFD和TurboGrid进行了结构化网格划分。通过数值计算获取的外特性数据与试验数据进行对比,数值计算方法的可靠性得到了验证。计算结果显示,不同进口含气率下叶轮流道内的气体主要聚集在叶轮出口轮毂处的吸力面附近且随着进口含气率的增加,气体在该处的聚集程度增强,分布的不均匀度增加。9%、15%和21%进口含气率下叶轮内流体的最大湍动能分别是3%进口含气率下的1.07倍、1.53倍和1.83倍。不同进口含气率下导叶内的气体均在轮毂处聚集,且沿着流动方向,轮毂处的气体逐渐向主流区扩散。9%进口含气率下,叶轮内气体的聚集程度随着流量的增加逐渐减小,而导叶内的气体在设计流量(Q_d)时聚集程度最大,大流量(1.25Q_d)次之,小流量(0.75Q_d)最小。以上研究结果更深入地揭示了叶片式气液混输泵的内流场特性,可以为该类泵的优化设计提供参考,提高其输运效率。     

混合式油气混输泵内部流动分析

为分析混合式油气混输泵内部流动情况、探索混合式叶轮结构对混输泵性能的影响，该文基于Pro/E及Fluent等软件，对混合式油气混输泵建立全三维流场。并采用Mixture多相流模型、 Standard k-epsilon湍流模型以及基于Pressure-Velocity耦合计算的Simple C算法。以理想状态的水和空气作为多相介质，通过改变含气率(GVF)等工况，分析了混合式油气混输泵的内部流动情况，以及不同外径的混流式叶轮对油气混输泵外特性的影响。结果表明：混合式油气混输泵相较于原型泵的扬程和效率得到提高，混流式叶轮内的气液分布较为均匀，随着混流式叶轮外径的增大，扬程提高越明显；在相同混流式叶轮外径下，随含气率提高，扬程逐渐下降，叶轮出口边出现气液分离，但流道内湍动能基本不发生变化。     

叶片式混输泵入口段气液两相流场可视化试验

气液两相混合流体在叶片式混输泵内的流动与入口段气液混合程度有直接的关系,故在混输泵入口前端设置了自行设计的缓冲均化器,并通过可视化试验探索入口段气液两相流型及气泡直径随转速和入口含气率的变化规律。研究发现:经过缓冲均化器后,气液两相流体在混输泵入口段表现为均匀的泡状流,无大团气泡聚集现象,说明缓冲均化器结构及多孔管开孔方案合理,能够起到均匀混合气液两相流体的作用;在同一转速和液相流量下,混输泵入口段气泡直径变化规律呈正态分布,随着入口含气率的增加(0~50%),气体总流量增加,在均化器中与水混合后形成的气泡初始直径逐渐增加,使得混输泵入口段气泡直径也逐渐增加;在同一液相流量和入口含气率工况下,气泡的初始直径相同,而随着混输泵转速的增加(1 800~2 700 r/min),入口段流体旋转角速度增大,导致液相对气相的拖曳力也相应增大,最终导致气泡直径变小;绘制了泵入口气泡直径随入口含气率及转速的变化规律曲线,可以为混输泵内流场数值模拟中入口气液两相流型及平均气泡直径的设置提供参考。     

旋流泵气液混输特性试验研究

通过旋流式模型泵的型式试验,对无叶腔中心线上设定点进行流动参数测量,得到测点静压p_s、绝对速度V、绝对速度的圆周分速度V_u、径向速度V_r和轴向速度V_z随流量增大变化规律。证明泵进口轴向运动为主流,且旋涡中心静压为负值,阐明了旋流泵的抽吸原理。在此基础上,对泵的气液混输特性进行试验研究,证明旋流泵具有气液混输功能,得到了含气量对泵流量、扬程及效率影响的变化规律,为旋流泵工程应用提供科学实践依据。     

双螺杆多相混输泵转子变形的理论研究

双螺杆混输泵在输送高含气率介质时,泵内温升对泵内转子间隙造成影响,进而影响泵的容积效率,在极端情况下,甚至会造成转子卡死以及混输泵的损坏。本文建立转子模型对高含气率下双螺杆混输泵转子的热变形和力变形规律进行研究,结果表明转子的热变形是转子变形的主要因素,螺杆转子的变形量会随着介质含气率的增加而增加,当含气率大于90%后,变形量显著增大,当含气率为99%时,径向最大变形量发生在出口端面的齿顶,轴向最大变形量发生在螺杆转子的吸入口侧轴的右端面上。通过分析变形对各间隙的影响后发现,齿根间隙变化最大,其次是齿顶间隙,而齿侧间隙几乎不发生变化。     

多级油气混输泵轴向间隙变化对其性能的影响

以自主研发的YQH-100型多级油气混输泵为研究对象,采用Mixture模型,选用标准k-ε湍流模型,速度压力耦合采用simplic算法,对混输泵3种不同轴向间隙下,分别在0,10%,30%,50%,70%共5种含气率情况下进行了数值模拟。得到了耦合面上的压力分布云图,绘制了不同间隙变化下混输泵扬程、效率随含气率变化的曲线。结果表明间隙呈递增趋势变化下的扬程、效率都高于其他两组。     

高含气率下双螺杆多相混输泵泄漏分析及其对容积效率的影响

对双螺杆多相混输泵的泄漏通道进行了分析,建立了简化后的混输泵泄漏的数学计算模型,包括建立齿顶间隙泄漏模型、齿根间隙泄漏模型、齿侧间隙泄漏模型。并利用泄漏模型结合双螺杆内部泄漏通道的分布特点和容积效率的计算公式提出了双螺杆混输泵容积效率的数学计算模型。利用已有文献中的试验数据验证了理论计算模型的准确性,并且计算与试验值进行对比并分析了高含气率下含气率、转速、介质粘度对混输泵容积效率的影响。结果表明:当含气率在80%～95%之间增大时,齿顶和齿根间隙的泄漏量随之减小,而齿侧间隙的泄漏量先减小后增大,泵的容积效率会随介质含气率的增加而增大;但当含气率大于95%时,泵的容积效率会急剧下降,所以在混输泵工作时应当尽量将含气率控制在95%以下。同时双螺杆混输泵的容积效率会随着转子转速的增大而提高,随着所输送介质的粘度的增大而增加。     

Multiphase flow measurements using coupled slotted orifice plate and swirl flow meter

Multiphase flow metering is a major focus for oil and gas industries. The performance of a modified version of a close coupled slotted orifice plate and swirl flow meter for multiphase flow was evaluated to provide further development of a new type of multiphase flow meter. The slotted orifice provides well homogenized flow for several pipe diameters downstream of the plate. This characteristic provides a homogeneous mixture at the inlet of the swirl meter for a wide range of gas volume fractions (GVF) and flow rates. In order to evaluate the performance of the designed flow-meter, its response was investigated for varying pressures and water flow rates. The proper correlations were established to provide high accurate two-phase flow measurements. The new proposed approach provides the GVF measurement with less than ±0.63% uncertainty for GVF range from 60% to 95%.     

Numerical investigation of two-phase flow characteristics in multiphase pump with split vane impellers

Multiphase pump is a cost-effective option for subsea oil and gas field development. The ability to handle different inlet gas volume fractions (GVFs) especially high inlet GVF is critical to the development of pump performance. In this study, the two-phase flow characteristics in normal impeller and split vane impeller at different inlet GVFs were investigated by steady numerical simulations. The gas distribution on blade-to-blade plane and meridional flow channel at different inlet GVFs were analyzed and compared. Gas accumulation area and movement characteristics of the gas-liquid flow in impeller flow passage were also pointed out by unsteady simulations. Experimental results of the pump differential pressure were compared with the numerical simulation results, to validate the accuracy of numerical simulation method. The flow characteristics in pump with modified impeller and its performance at different inlet GVFs were both compared with that of the normal impeller. The steady simulation results of normal impeller in different inlet GVFs show that gas concentrating area in the flow passage increases as inlet GVF grows. The unsteady simulation results indicate that gas pocket firstly occurs on the pressure side of impeller, then moves to the suction side in the middle area of blade and finally transfers to outlet of impeller and disappears. The errors between numerical simulation results and experiment data are below 10 %, which validated the feasibility of the numerical simulation method. Simulation results on the split vane impeller demonstrate that the gas accumulation area in flow passage of the modified impeller is dramatically decreased compared to that of the normal impeller. The performance of the modified impeller is generally better than the normal impeller especially in high inlet GVF conditions.

     

双螺杆油气多相流混输泵内部工作机理研究

从变质量多相系统的热力学特性角度,从能量守恒、质量守恒定律出发,建立了一套描述双螺杆多相泵内部工作机理的控制方程。通过对多相泵内部工作过程的模拟,分析了气体体积分数、回流损失、流量、压力分布及功率消耗间的相互关系。为验证数学模型的正确性,利用动态信号分析仪对试验样机进行了宏观性能测试和内部压力建立过程曲线（Ｐ—Ｖ图）测试。试验和数值模拟结果的比较表明,建立的数学模型能够正确反映双螺杆油气多相流混输泵内部压力建立过程及其宏观性能特征。     

偏心摆动油气混输泵的动力特性研究

介绍了偏心摆动油气混输泵的工作原理及结构特点,建立了其运动部件的动力学模型,并对已建立的动力学模型进行了数值计算,最后用实验对理论模型进行验证。结果表明：作用在摆轴上的压差作用力所形成的阻力矩是影响混输泵轴功率的主要因素;进出口压差为1.2～3MPa时,计算功率与实验功率的相对偏差为1%~38.2%。     

含气率对往复式油气混输泵排出性能影响

为了研究含气率对往复式油气混输泵排出性能的影响及转速、含气率、流量的相互关系,基于标准k-ε湍流模型和混合多相流模型,采用计算流体力学软件中的动网格技术和用户自定义函数,在介质含气率不同时对混输泵的排出过程进行三维动态仿真模拟。结果表明:介质增压速度、最大流量、平均流量与含气率成反比。根据转速、含气率、流量关系曲线调节转速,使泵的流量与抽油机流量相匹配,为往复式油气混输泵性能参数的选择及现场应用提供数据参考。     

基于Pro/E的新型真空油泵设计

为了提高抽油效率,设计了一种新型真空抽油泵。利用工程软件Pro/E为设计工具,创建了油泵的结构模型,进行了干涉检验和三维运动仿真。试制了油泵样机,并进行了试验研究。试验表明该油泵具有体积小、容积效率高、密封性和自吸性好等特点。具有良好的应用前景。