潛水深井泵泵內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究
欄目：行業(yè)動(dòng)態(tài) · 發(fā)布日期：2011年12月21日 · 作者：中成泵業(yè)
研究泵內(nèi)流場(chǎng)尤其是混相流流場(chǎng)是改善潛水深井泵性能的關(guān)鍵。隨著PIV技術(shù)
、LDV技術(shù)及超聲波技術(shù)的日趨成熟，人們已經(jīng)可以利用這些優(yōu)質(zhì)的流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在不干擾流場(chǎng)的情況下進(jìn)行高精度的測(cè)量
。在加拿大已有人使用這些優(yōu)質(zhì)技術(shù)研究
潛水深井泵流場(chǎng)
，石油大學(xué)(北京)海洋力學(xué)試驗(yàn)室針對(duì)該問(wèn)題應(yīng)用PIV(粒子成像測(cè)速技術(shù))進(jìn)行了試驗(yàn)研究
，其主要內(nèi)容是測(cè)定不同流量時(shí)泵內(nèi)流場(chǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)比單相及混相流時(shí)深井泵內(nèi)流場(chǎng)的異同
。
1粒子成像測(cè)速及圖像處理技術(shù)
粒子成像測(cè)速(PIV)技術(shù)的基本原理①是利用撒在流體中的粒子對(duì)光的散射作用
，用光學(xué)的方法記錄下粒子在不同時(shí)刻在流場(chǎng)中的位置，從而得到粒子的位移
，基于粒子對(duì)流場(chǎng)的跟隨性
，測(cè)出粒子所在位置上流體的速度及瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
運(yùn)用PIV技術(shù)
，對(duì)流場(chǎng)中眾多的粒子情況可以按時(shí)間順序通過(guò)多次曝光記錄在同一圖像上
，也可以通過(guò)高速攝影機(jī)記錄在不同的圖形上。利用有關(guān)的物理學(xué)及力學(xué)的假設(shè)和定律
，并根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型
，通過(guò)一系列數(shù)字運(yùn)算即可得出反映流場(chǎng)特性的參數(shù)(粒子位移、速度等)
。通常
，PIV系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、PIV圖像記錄存儲(chǔ)系統(tǒng)以及PIV處理系統(tǒng)組成
。
2小型氣液兩相深井泵模擬試驗(yàn)裝置
潛水深井泵在井下工作
，其工作介質(zhì)也不是單相的，故很難對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的深井泵的流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試
。另外
，由于各油田油井地層條件很復(fù)雜，難以找到一般性的規(guī)律
，因此
，在實(shí)驗(yàn)室里建立了一套小型氣液兩相深井泵模擬試驗(yàn)裝置，如圖1所示
。
該模擬試驗(yàn)裝置主要由液壓控制系統(tǒng)及氣動(dòng)控制系統(tǒng)組成
。為了進(jìn)行可視化研究，深井泵模型泵筒及柱塞均采用有機(jī)玻璃制造
，其泵徑為57mm
，柱塞長(zhǎng)度為0.3m，可模擬沖程為0～0.6m,沖次為0～6次/s,內(nèi)壓為0.7MPa的工況條件
。
3試驗(yàn)過(guò)程
采用與原油密度及粘度相近的工業(yè)白油作為試驗(yàn)介質(zhì)
，用與白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作為示蹤粒子。使用10W的氖激光發(fā)生器及相應(yīng)的光路系統(tǒng)造成的強(qiáng)片光源作為PIV攝像的照明光源
，并采用錄像或照相的方法攝制PIV圖像
。針對(duì)不同的工況，分別對(duì)單相和氣液兩相流介質(zhì)條件下深井泵泵筒
、泵閥
、柱塞等部位進(jìn)行了PIV圖像的錄制和照相，以備進(jìn)一步進(jìn)行分析處理
。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
由于對(duì)
深井泵固定閥部位流場(chǎng)的研究已有相應(yīng)的研究成果
，而且氣液兩相流PIV圖像處理程序不完善，故這里側(cè)重于分析流動(dòng)介質(zhì)為單相流體時(shí)深井泵游動(dòng)閥及柱塞部位的流場(chǎng)
。
4.1深井泵泵閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律
在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)
，深井泵泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和以住人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)不不會(huì)相同，它的運(yùn)動(dòng)除了有垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)
，還伴隨有兩種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
。當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，閥球繞水平軸上下旋轉(zhuǎn)
；當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)
，閥球繞豎直軸水平自轉(zhuǎn)并且沿閥座內(nèi)孔邊角即閥座孔圓心軸公轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角速度與柱塞的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)
，柱塞運(yùn)動(dòng)速度越大
，閥球旋轉(zhuǎn)角速度就越大。閥球的特殊運(yùn)動(dòng)形式主要與閥球
、閥座結(jié)構(gòu)的特殊性及流體的沖擊有關(guān)
。深井泵泵閥是一個(gè)球形閥件，當(dāng)流體繞過(guò)它流動(dòng)時(shí)
，在其后部將發(fā)生附面層的脫離現(xiàn)象
，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)橫向激動(dòng)力。由于閥球的對(duì)稱性
，這種橫向激動(dòng)力將沿閥球的“赤道”周圍周而復(fù)始地移動(dòng)
，使閥球不是始終位于閥座孔軸心線上，而是偏離一個(gè)距離且緊靠在閥座邊角上旋轉(zhuǎn)
，這就是“公轉(zhuǎn)”現(xiàn)象
。
另外，由于流體流動(dòng)的不穩(wěn)定以及閥球的偏離造成流體相對(duì)閥球流動(dòng)的不對(duì)稱性
，對(duì)閥球?qū)a(chǎn)生一定的撓動(dòng)
，使這個(gè)橫向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心
，使閥球在水平面上還有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)
，即“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。以上結(jié)論是在純液體情況下得到的
。在氣液混相流時(shí)
，由于氣泡的存在
，流場(chǎng)擾動(dòng)更加劇烈，而且氣泡對(duì)閥球具有一定的沖擊作用
，此時(shí)閥球運(yùn)動(dòng)就更加復(fù)雜
，除了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以外，還有上下劇烈的跳動(dòng)
。
4.2單相流游動(dòng)閥球的PIV圖像處理結(jié)果
從
深井泵游動(dòng)閥部位的流場(chǎng)速度矢量可以看出
，游動(dòng)閥球周圍的流場(chǎng)不是對(duì)稱分布的，其左邊閥隙的邊界層延續(xù)到近閥球頂部才脫落
。這說(shuō)明固定閥隙兩邊的流體對(duì)閥球的作用力是不平衡的
，從而使得閥球產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著沖次的增加
，流體流速的提高
，閥球邊界層更早發(fā)生脫離，而且閥球周圍流場(chǎng)不對(duì)稱性依然存在
，所以閥球的偏心更加強(qiáng)烈
，這和試驗(yàn)過(guò)程中所觀察到的閥球運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的。
可以看出
，由于流體對(duì)閥球的橫向沖擊力造成閥球偏離軸心
，再加上其“自轉(zhuǎn)”的影響，使得閥球在開啟和關(guān)閉的時(shí)候都有一定的滯后時(shí)間
，從而使泵的抽汲效率降低
，造成泵沖程損失。另外
，由于閥座形狀的非流線型
，使得吸入阻力增大，也使閥球的滯后時(shí)間增加
，并使閥球的擾動(dòng)加大
。這種閥球的飄移與擾動(dòng)與閥球及閥座的外形有很大的關(guān)系，為使閥球盡量接近于理想狀態(tài)下的上下垂直運(yùn)動(dòng)
，并且為了減少閥隙的過(guò)流阻力
，可以改進(jìn)閥罩和閥座的設(shè)計(jì)，使閥罩限制閥球的跳動(dòng)高度
。在保證最大過(guò)流面積的同時(shí)盡量使閥球只做上下垂直運(yùn)動(dòng)
，并將閥罩及閥座外形設(shè)計(jì)成流線型，以此來(lái)減小過(guò)流阻力
。這些改進(jìn)可以減小閥球的擾動(dòng)及縮短開啟和關(guān)閉的滯后時(shí)間
，從而達(dá)到提高泵效的目的。
另外，由該部位流場(chǎng)旋度可以看出
，在游動(dòng)閥吸入口柱塞底端與泵筒間有很明顯的兩個(gè)渦旋存在
。這是因?yàn)橹M(jìn)行下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于柱塞底端有一定的面積
，從而在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓迫其底部的液體向下流動(dòng)
。而此時(shí)游動(dòng)閥球處于開啟狀態(tài)，游動(dòng)閥球下端的液體被壓入游動(dòng)閥隙
，并進(jìn)入柱塞內(nèi)腔，在柱塞底端部位造成液體回流
，從而形成渦旋
。這兩個(gè)渦旋大大增加了液體的過(guò)流阻力，同時(shí)也增加了游動(dòng)閥球的擾動(dòng)程度
。為了消除渦旋并減小過(guò)流阻力
，可將柱塞底部截面積盡量縮小，并使其外形呈喇叭口型
，從而減小過(guò)流阻力
。
4.3單相流柱塞出口處的PIV圖像處理結(jié)果
單相流作用下柱塞頂端出口處流場(chǎng)速度矢量圖
。從圖中可以看出,柱塞頂端出口處呈現(xiàn)以下的流場(chǎng)特征：柱塞內(nèi)部管流呈對(duì)稱流動(dòng)狀態(tài)
，而且流線分布較均勻
。這說(shuō)明柱塞內(nèi)部管流穩(wěn)定
，大致呈層流流動(dòng)狀態(tài)
，這一點(diǎn)從柱塞出口處流場(chǎng)旋度中可以更清楚地看到
。但在柱塞出口處
