电潜泵特性的数值模拟分析

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1、第1期(总第158期)机械工程与自动化No．12010年2月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NFeb．文章编号：1672—6413(2010)01—0071—03电潜泵特性的数值模拟分析孙仁俊，冯进，曹鹏，杨威，钟静(长江大学机械工程学院，湖北荆州434023)摘要：电潜泵系统效率低、耗电量高，通过CFD软件来模拟分析电潜泵的工作情况，得出它的最优工况，从而得出电潜泵的最佳运行区域。关键词：电潜泵；CFD仿真；特性分析中图分类号：TH3文献标识码：A0引言目前，我国各油田广泛采用电潜泵采油，它具有[警+Uj差]一一差+暑差]+警。⋯排量范围大

2、、扬程范围大、自动化程度高等特点。但⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)电潜泵系统效率低、耗电量高。在电潜泵的生产运行其中：为流体密度；t为时问；、为时均速度，i，中，合理的工作条件将直接关系到电潜泵的抽油效率可取1，2，3，分别代表坐标轴的3个方向；、，和运行寿命，进而对电潜泵抽油的经济效益产生直接为各个坐标轴上的值；P为压强；为流体的粘度；R影响。因此，提高电潜泵采油系统效率，降低电潜泵为雷诺应力张量，R一一．0一25一导等×采油耗电量，使电潜泵在最佳的经济区运行，已成为当前降低电潜泵采油成本的一条重要途径。。一号“、“，为脉动速度，““为时均值，是然而，直接

3、通过实验来模拟测试电潜泵的工作情湍流粘性系数，k是湍流动能，5，是变形率张量，S，一况，进而得出电潜泵的最优工况有一定的困难。随着计算机技术的飞速发展，应用计算流体动力学(CFD)丢[差+]；当i=j时，一1，当污时，：==o。可以深刻了解、分析流体机械内部的流动状况。本文要使雷诺方程封闭，需引入适当的湍流模型。这通过CFD软件对电潜泵特性进行了数值模拟，从而确里采用RNGk-￡湍流模型，它是在标准k—e模型的定了电潜泵的理想工况。基础上经过统计方法归纳得到的。其改进如下：①在1电潜泵工作理论湍流扩散率e方程中增加了一自定义源项R；②湍流电潜泵的工作介质为液体，一般将液体

4、看作不可Prandtl数、d使用了解析式；③标准k一￡模型一般压缩流体，描述不可压缩流体在电潜泵内流动的基本适用于较高雷诺数的流动，而RNG正一e模型提供了方程包括连续性方程和运动方程。对导轮采用圆柱坐一个高低雷诺数流动都适用的涡粘性解析式。这些改标系下的绝对运动连续性方程和运动方程，而叶轮采进保证了RNGk—e模型在大范围的湍流模拟中能有用圆柱坐标系下的相对运动连续性方程和运动方程。较高的精度。该模型的主要方程为：由圆柱坐标系下的连续性方程和运动方程求解涡3(肚)+轮定、转子跨叶片流道内的流体流动是非常复杂的，一i(pku1)一暑[差]+—￡。般不可能有解析解，只能通过

5、数值方法求解，即采用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)CFD数值计算。CFD计算的控制方程是Navier—Stokes方程，使昙(+(JD)=暑[嘉]+c丢一用雷诺时均方程分析内流场：2C210{-一JR。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)塑3t+-3(p“)一O。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一(1)xi其中：G为层流速度梯度产生的湍流动能；C、C。均收稿日期：2009～05—08；修回t3期：2009—10—03作者简介：孙仁俊(1986一)，男，湖北仙桃人．在读硕士研究生。·72·机械工程与自动化2010年第1期为已确定的模型常量；，，为有效湍流粘度。湍流粘度结合面上的质

6、量和旋通量守恒。由以下微分方程确定：4模拟结果及其分析2L．n本文主要模拟当转速：=：4200r／min时，不同流d[—]一1．72——=二二二=二=d。⋯⋯⋯(5)。√3—1+C量下电潜泵各个参数的变化情况。限于篇幅，仅给出一fJ／。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(6)一4200r／min、流量Q一3．4I／s时的压力场图和速，，一if+。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(7)度场图，分别见图3～图6。其中：C为已确定的模型常量，C≈1OO。特别地，在大雷诺数的情况下式(7)可简化成标准k一￡模型的形式，即一pCk／￡。其中c为已确定的模型常量。2CFD计算模型本文以纯水为流体介质

7、，采用CFD软件来分析、模拟不同工况下电潜泵的实际工作情况，得出流量与输入功率、效率等之间的关系，从而确定电潜泵的理想工作条件。CFD计算模型见图l，叶轮和导轮的计算图1CFD计算模型模型见图2。3数值求解考虑电潜泵内流体的强旋流动，对压力的离散采用PRESTO(PREssureSTaggeringOption)法，对动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散，对速度与压力耦合采用SIMPIE算法和亚松弛方法进行处理。边界条件包括人口速度边界、出口压力边界、结合面、固壁边界等。叶轮为旋转壁面，导轮为无滑移固壁，用标准壁面函数处理近壁