三级离心多相泵中非均匀入口气体分布的演化及其对水力性能退化的影响

《Ocean Engineering》：Evolution of non-uniform inlet gas distribution and its impact on hydraulic degradation in a three-stage centrifugal multiphase pump

　　

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  K_T指数可量化进口气体分布的不均匀演化过程。
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  气体分布演化过程在三级泵中得到量化分析。
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  分层进口在高流量条件下使总压升降低38.7%。
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  分层进口显著增加一级叶轮中高气相分数（GVF）区域的体积。
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  不均匀气体分布加剧了入流角畸变和压力波动。

引言

多相增压是石油生产系统中油气混合输送的关键技术，尤其在海上及水下油田开发领域具有重要意义。该技术能够实现井流的同时增压与输送，而无需进行完全的气液预分离，从而简化了油气集输系统（Hua et al., 2012; Ali et al., 2021; Li et al., 2023）。多级气液多相泵是实现多相增压的核心设备（Chang et al., 2024）。在实际运行中，复杂的上游管路、重力引起的分层、管道倾斜以及流型转换均容易在泵进口产生不均匀的气液分布。此类不均匀进口条件会导致泵内气体积聚、压力波动及水力性能下降，从而影响水下多相输送系统的运行稳定性（Xu et al., 2019）。已有研究表明，多相流型转换可能引起压力飙升和性能退化（Minemura and Uchiyama, 1993），且进口流态在决定泵内相分布方面起着主导作用（He et al., 2021）。进口分布不均还可能降低水力性能并加剧压力波动和振动响应（Huang et al., 2021）。一些研究通过优化叶片安放角、修改进口结构或安装气液混合器来提高相分布均匀性，从而增强多相泵的运行稳定性（Liu et al., 2018; Tan et al., 2024）。此外，速度矩分布的优化已被证明可有效降低多相泵叶轮压力波动的强度（Xiao and Tan, 2021）。这些研究表明，进口相分布不仅是边界条件问题，更是控制泵内能量转换效率的关键因素。

数值研究已被广泛用于探讨多相泵内部的气液流动特性。Shi等（2021）将CFD与高速摄影相结合，揭示了顶隙区域相分布与压力波动强度之间的耦合关系，为不均匀流动研究提供了重要的方法论基础。Yan等（2020）研究了不同气相分数条件下多相泵的内部流动特性，发现高气相分数条件下，气体滞留区倾向于在叶片吸力面形成，从而显著降低泵的性能。为考虑气液两相流中气泡尺寸演化，多尺寸群（MUSIG）模型纳入了气泡破碎与聚并过程。与传统的单一气泡直径模型相比，该模型能够更准确地描述气泡尺寸演化（Si et al., 2022）。

关于不均匀进口流态，Peng等（2024）对比了均匀气泡流、段塞流和环状流对单级多相泵性能的影响。Zhang等（2022）研究了段塞流条件下多相泵的瞬态响应，报告压力与扭矩波动的幅值较均匀进口流增大约一个数量级。Al-Obaidi和Alhamid（2023）系统分析了不同进口条件下泵内涡结构演化，Shi等（2021）则表明不均匀流动增强了局部非定常性并放大了压力波动响应。尽管如此，流场不均匀性的量化仍主要依赖于基于轮廓的定性解释、截面平均气相分数或统计方差。D?browski（2023）和Kim等（2019）采用变异系数来表征微通道中的流动不均匀性；然而，此类指标主要量化空间离散的整体程度，无法明确区分诸如周向不对称性等方向性特征。

为解决上述问题，首先在水流及名义均匀进口气相分数（IGVF）= 10%条件下将数值模型与实验测量进行验证。随后进行数值模拟，研究三级离心多相泵中不均匀气体分布的演化过程。本研究的主要贡献总结如下：（1）量化了三级离心多相泵中进口气体分布不均匀性的级间演化特性。（2）提出定量指数K_T来表征气体分布的截面总体离散度与周向不对称性。（3）考察了气体积聚、叶片进口攻角（AoA）畸变、水力性能下降与压力波动之间的关系。

章节摘要

泵模型

本研究针对一台三级离心气液多相泵。三级结构具有相同的几何形状并串联布置。每个增压级由叶轮、中间腔和导叶组成。三级泵的总体几何结构及各增压级的流道截面如图1所示。叶轮具有四片叶片，导叶具有七片叶片，叶片包角为150°，叶轮进口直径为107 mm，

水力性能

首先从整体及分级水力性能的角度分析了不同进口条件对泵外特性的影响。压升系数ψ定义为表征叶轮水力性能的无量纲参数，其计算方式为叶轮出口与进口之间压升除以出口动压头，如式（13）所示。$$\psi =\frac{P?P_{\text{in}}}{0.5{\rho }_L{U}^2}$$其中P为监测点处的压力

结论

本研究探讨了三级离心气液多相泵中不均匀进口气体分布的演化特性，以及其与水力性能下降和非稳态响应之间的关系。基于Euler-Euler多相模型结合MUSIG方法，在均匀、环状和分层进口条件下分析了气体分布的演化过程及其与水力性能和压力波动的关系。

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  不均匀进口气体

CRediT作者贡献声明

Jinpeng Wang：撰写——初稿，资源获取，正式分析，数据整理。Xingqi Luo：经费获取，概念设计。Jianjun Feng：指导，调查。Sina Yan：撰写——审阅与编辑，可视化，经费获取。Guojun Zhu：验证，软件。Zhenguo Ge：验证，经费获取。Senlin Chen：方法论。Guangyu Li：调查。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52409119和52509129）、干旱地区水利工程生态与环境重点实验室研究基金（资助编号：SKL-ZZ02-2026-02）以及陕西省自然科学基金基础研究计划（资助编号：2025JC-QYXQ-023）的支持。

Jinpeng Wang|Xingqi Luo|Jianjun Feng|Sina Yan|Guojun Zhu|Zhenguo Ge|Senlin Chen|Guangyu Li