叶片式气液混输泵优化设计及流场特性分析
与传统石油开采平台将气液分离输运相比，气液混输的基础设施投资大约可节省40%。叶片式气液混输泵是石油混输的核心设备之一，被广泛应用于偏远油田和海上油田的开采输运中。与容积式混输泵相比，具有结构简单、过流流量大、工质含气率可达100%、对固体颗粒不敏感等特点。传统的气液混输泵设计需要经历多次“设计-试验-改进-试验”的过程，导致整个项目周期长，效率低，效果差，本文采用多目标优化设计系统对叶片式气液混输泵叶轮进行快速优化设计，并对优化后的叶片式气液混输泵进行CFD计算与分析。 通过优化平台整合三维反问题设计、试验设计方法、CFD数值计算、响应面法和多目标粒子群算法构建多目标优化设计系统。以叶片载荷为优化变量，以纯水工况和进口含气率为10%工况的输运效率为目标变量，对叶片式气液混输泵进行优化设计。通过65个样本叶轮结合响应面法和多目标粒子群算法得出优化结果，并根据优化结果对变量进行敏感性分析。从帕累托图中挑选出效率最高的作为优化叶轮，通过CFD数值计算与原型泵对比，在纯水工况下，效率提升了0.38%，在进口含气率为10%时，效率提升了0.89%。 对叶轮优化后的气液混输泵进行CFD数值计算，重点分析了进口含气率、流量、叶顶间隙对流场特性的影响。结果分析表明：阻力是最大的相间作用力，其次是升力与附加质量力，湍流弥散力最小。在叶轮与导叶流道内，气体主要聚集在轮毂处，并且在导叶流道中后部，气体逐渐向轮缘扩散；随着进口含气率的增加，气体聚集程度逐渐增加，而随着流量的增加，气体聚集程度逐渐降低。与无叶顶间隙时相比，叶轮流道内的含气率显著降低；叶顶间隙存在时，在压力面与吸力面的压差作用下，在间隙会形成间隙泄漏流；间隙增加泄漏量随之增加，导致叶轮增压能力显著降低，但增加叶顶间隙可以有效抑制各流道流量分布不均匀的现象。
油田开发;叶片式气液混输泵;优化设计;流场特性
西华大学
硕士
动力工程
祝宝山
2022
中文
TE974.1
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）