混流式潜油电泵因具有排量大、效率高等优点而被广泛应用于深井石油开采中,但随着油层内部脱气导致油井游离气体的产生,潜油电泵运行时存在来流含气的问题。由于气相的加入改变了潜油电泵内部流场分布,其性能随入流含气率的增大而恶化,当含气率达到一定程度,潜油电泵将无法进行排液而呈空转工作状态,对油井造成潜在威胁。因此,研究潜油电泵气液两相流流动情况并进行优化设计是迫切需要解决的问题。本文以某五级混流式潜油电泵为研究对象,通过理论分析、实验研究、数值计算的方法对潜油电泵纯水及气液两相下的内流特性进行深入的研究,获得不同含气率下的外特性变化规律及性能恶化原因并进行了几何参数优化设计。主要研究内容和创新性成果如下:（1）通过对潜油电泵发展历程、泵内气液两相流研究、泵优化设计方法的进行深入分析,认为混流式潜油电泵是当下潜油电泵系统的研究重点。数值模拟方法是当前气液两相流研究的重点,Musig模型能够更好地反映气液两相流流态变化,正交试验是有效的多级泵优化设计方法。（2）以混流式潜油电泵的效率为优化目标,基于速度系数法,初步确定潜油电泵的尺寸,采用适合混流式潜油电泵优化设计的曲面响应法;以叶轮叶片前盖板流线、中间流线、后盖板流线进口安放角以及叶片出口安放角为优化变量,对纯水条件下混流式潜油电泵进行优化设计。优化后,在设计工况下单级潜油电泵效率提高了5.09%,五级潜油电泵效率提高了4.85%。（3）搭建多级泵气液两相流实验台。实验测定了纯水条件下外特性曲线,并进行了转速为1475r/min、液相体积流量为7.5m~3/h时不同入流含气率下的外特性实验。研究结果表明:不同转速下,潜油电泵流量-扬程特性曲线具有高度的相似性;潜油电泵可运行的流量范围随着转速的减小而逐渐减小,各转速下最优工况点随转速的降低而向较小流量工况偏移;含气性能实验时,入流含气率大于5%后泵性能陡降,当入流含气率超过9%时仍能正常运行,但此时整个系统运行特别不稳定。（4）建立了基于欧拉-欧拉双流体模型和Musig模型的气液两相流的数值计算方法,并进行不同入流含气条件下潜油电泵的数值计算。研究结果表明:Musig模型能够更加准确地预测出不同入流含气条件下的潜油电泵性能变化;随着入流含气率的逐步增大,首级叶轮流道内率先出现气泡聚集现象且气泡主要聚集叶轮后盖板中后段附近区域,气泡聚集区域随潜油电泵流道逐步向叶轮前盖板附近移动。（5）基于Musig多组分的气液两相流模型对潜油电泵进行多个含气率工况下的数值计算并分析其内部流场变化。入流含气量为5%时首级叶轮内出现明显的气液分离现象,该含气率下,首级及次级叶轮内的两相流流型为气穴流,潜油电泵的性能发生了明显的下降;从首级叶轮到第五级（末级）叶轮,压力波动强度逐渐增大。（6）在入流含气率为5%,液相体积流量为7.5m~3/h条件下,采用7因素3水平的正交表对混流式潜油电泵进行优化设计。研究结果表明:叶片出口安放角是影响含气条件下混流式潜油电泵的关键因子,其中又以中间流线出口安放角影响最为强烈,优化后泵效率提高了2.52%,扬程提高了0.15m。

本研究受国家自然科学基金“气液两相流下离心泵内部流动机理及其流动诱导特性研究”（51779107）,国家重点研发项目课题（2018YFC0810505）和江苏大学高级人才基金项目（15JDG048）资助,也是其主要研究内容之一。洗衣机是改善全球人民生活水平的一种必不可少的家用电器,作为核心部件的微型泵是决定洗衣机性能的关键。由于结构紧凑和通常采用上排水方式,洗衣机微型泵内部的流场复杂。随着水位的降低,泵在排水末期（称之为空排期）处于输送空气-水混合物状态,并产生不稳定的流动。这种不稳定的流动不仅导致泵性能的恶化,而且还引起较大的振动和噪音,这可能会降低洗衣机的声学质量并影响用户体验。此外,国家对绿色环保很注重,这意味着用户和市场将对洗衣机的质量提出更高的要求。因此,对洗衣机排水泵的内部流动和噪声特性进行研究具有理论意义和工程价值。项目首先讨论了流动噪声的产生机理,然后在一定负荷条件下,对流质为纯水和不同含气量的空气-水混合物进行泵性能试验和数值模拟,最后研究了模型泵的内部流动和流动引起的振动噪声,为深入了解排水泵在空气-水混合物状态的工作原理并提高排水泵的性能提供参考。研究内容主要涉及以下几点:1.首先,本文介绍了洗衣机微型泵和普通离心泵内部不稳定流动,并分析了噪声产生的原因。然后,对模型泵进行特性实验,检验水力性能和声学特性。实验表明随着流速的增加,水头缓慢下降,泵效率降低,模型泵的效率与产品制造商的实验值非常一致。此外,该研究还包括在四种不同流速下进行两相流的外特性实验,通过压缩机调节泵入口处的气体含量。在不同气体含量和不同流速下,流量扬程曲线显示出相对合理的下降趋势。此外,噪声实验表明模型泵运行周期可分为三个阶段:启动期,正常排水期和空排期。由于空气-水两相流动,空排期的噪声水平高于正常排水期。此外,频域分析还显示空排期在各频段的声压级均较正常排水期高。2.为了研究模型泵在纯水条件（正常排水期）和空气-水两相流条件（空排期）内部的流场,进行了基于性能试验和噪声实验的数值模拟。在纯水条件下获得的扬程结果显示出模拟值与实验值之间的一致性,并且泵在设计流量下表现出最大模拟效率为21.07%。此外,基于两种不同的湍流模型（k-omega和k-epsilon）计算纯水的内部流场,并且在不同的入口空气含量和部分负荷条件下使用多相流动模型计算两相流的内部流场。得到四种流速条件下的内部流动和气相分布的结果。结果表明,当气体含量为1%时,气体对排水泵的影响较小。随着气体含量的增加,流量扬程曲线下降的斜率变大,随着流量从设计值降到最低,气体含量对泵性能的影响开始增加。此外,当气体含量增加1-2%时,扬程突然减小,并且扬程下降曲线对于所有流量条件下变得更不规律。另外,在较低的气体含量条件下,受到叶轮流动通道中周边压力梯度的影响,气体首先积聚出现在叶片区域和叶片后部附近。随着入口气体含量增加,气泡逐渐形成更大的气团并阻塞叶轮流动通道,这又削弱了排水泵的功能。

本文的研究受到国家自然科学基金“气液两相流下离心泵内部流动机理及其流动诱导特性研究”（编号:51779107）、国家重点研发项目“复杂环境工程抢险关键技术研究及应用示范”（编号:2018YFC0810505）和高端外国专家项目“气液混输状态下泵内部流动特性研究”（编号:GDW20153200139）的资助。工程实际中经常会遇到离心泵气液两相流问题,随着入流含气率的增加,其性能会急剧恶化,甚至会引起断流,导致系统安全稳定性受到极大威胁,其内部流动特性和性能恶化机理至今仍未揭示。本文采用试验研究和数值模拟方法进行了不同转速、不同入流含气率下模型泵外特性、压力脉动以及高速摄影试验,并采用Euler-Euler非均相流模型对气液两相入流条件下离心泵内流场进行了数值计算,主要研究内容和结论如下:1.通过对国内外研究现状进行总结分析,指出当前离心泵气液两相流研究的发展趋势和存在的问题,认为含气条件下性能恶化的根本原因是内部流型的变化。2.搭建了离心泵气液两相流开式试验台,对比转速为88.6的单级单吸不锈钢离心泵进行了不同转速、不同入流含气条件下的外特性试验,同时为进行不同入流含气率内部流场可视化试验,设计了相同几何参数的半开式叶轮可视化模型泵,结论如下:不锈钢离心泵在额定转速下,入流含气率为10%时仍能正常工作,其他转速工况时,最大入流含气率会随着转速的降低而降低。可视化模型泵性能有相似的规律;同时发现可视化模型泵在1450r/min时能达到的最大入流含气率为7.5%;1000r/min时能达到的最大入流含气率为4.6%。3.在不同流量工况、不同入流含气条件下对试验泵进行了压力脉动试验,结论如下:（1）不同入流含气条件下,不锈钢离心泵压力脉动主频均为叶频,并且入流含气率越大,压力脉动主频幅值就越大;当入流含气率超过5%时,压力脉动主频幅值明显增大,且此时低频信号幅值也较明显。随着入流含气率的增大,压力脉动均方根值先增大后减小;随着流量的减小,压力脉动均方根值逐渐增大,且在设计工况点时压力脉动均方根值最小,此可作为流态监测的重要依据。（2）不同入流含气条件下,可视化模型泵压力脉动主频也均为叶频,随着入流含气率的增加,压力脉动均方根值逐渐减小,表现出与不锈钢离心泵不同的变化规律,这是由于叶顶间隙的存在,气体更容易滞留在叶顶间隙。同时对入流含气率为0%和2%的压力脉动频域图分析发现:通气后由于不稳定流动增强,导致扬程下降明显,同时轴频处压力脉动幅值也明显增加,说明压力脉动轴频与扬程之间有内在关联性,并通过不确定度分析表明试验结果具有一定的可信度。4.采用Euler-Euler非均相流模型对模型泵进行了数值计算,结论如下:气体在流道内的聚集导致了旋涡的产生,旋涡进一步加剧气体的聚集,进而影响旋转叶轮能量交换和传递,导致泵的性能下降。气体总是先在叶片吸力面聚集,随着入流含气率的增大,逐渐向整个流道聚集,部分气体从叶轮出口流向蜗壳,最后流向出口管,在入流含气率为5%时已开始出现气液分离现象。5.对可视化模型泵隔舌与叶轮动静干涉区域进行了不同入流含气条件下的高速摄影试验,并对叶轮内的气泡受力进行了分析,结论如下:（1）气泡在叶轮内的流动形式随着入流含气率的不同会出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流动。由于流型的不同,其性能变化不同,尤其当叶轮内出现气穴流动时,发现性能下降较快,压力脉动波动剧烈。（2）气泡总是先聚集在靠近叶片吸力面,然后会沿着叶片压力面向叶轮出口运动,这是由于气泡在叶轮内受力不均匀导致气泡沿着偏离液体流线方向运动到高压侧而流出,因此聚集在叶片吸力面低压侧的气泡会逐渐向高压侧运动而流向蜗壳出口。

本文的研究受到国家自然科学基金“气液两相流下离心泵内部流动机理及其流动诱导特性研究”（编号:51779107）和高端外国专家项目“气液混输状态下泵内部流动特性研究”（编号:GDW20153200139）的资助。实际工程中离心泵运行常遇到入流含气的问题,导致性能急剧恶化,进而对系统安全稳定性造成威胁,入流含气的离心泵内部属于十分复杂的气液两相流流动,数值模拟提供了有效研究手段,成为当前研究的热点。但由于含气气泡在其内部流动时,直径和形态随流场参数不断变化,气泡间还存在聚合与破碎,高含气率下数值计算方法尚不成熟。本文修正固定气泡直径的气液两相流模型,基于离心泵外特性实验数据,验证和分析三种不同气液两相流模型对来流含气条件下离心泵内流场数值模拟的准确性和适用性,并基于修正模型和MUSIG模型分析揭示离心泵内气泡分布及流型转变特性,研究可为解决离心泵入流含气导致的性能恶化提供理论支撑,并推动离心泵气液两相流理论的发展。本文主要研究内容和创新性结论如下:1.综合分析离心泵气液两相流国内外研究现状得出,气液两相流流型变化是引起泵性能下降的主要原因,数值计算因对两相流流场做出简化,忽略了气相粒子在流动过程中的形变,难以准确模拟并反映这种气液两相流流型变化,从而考虑气相粒子的变化,发展并探究更适合的离心泵气液两相流模型是准确模拟分析并揭示气液两相流流态特性,解决泵性能下降的关键。2.分析气液两相流模型特点:（1）欧拉-欧拉双流体非均相普通粒子模型可用于离心泵气液两相流计算,气体粒子直径固定,未考虑气体粒子形变及聚合分裂等作用;（2）MUSIG模型将离散相分为若干组不同粒径的粒子,可考虑粒子的聚合与破碎作用,属于普通粒子模型的一种拓展,但计算量大大增加。基于此,本文建立描述粒子形变的方程,引入气相粒子直径随流场的变化,构造了普通粒子修正模型,在普通粒子模型基础上计算量不会有明显增加,但可反映气泡分布及流型变化。3.搭建了入流含气条件下离心泵性能实验台,开展比转速为88.6的单级单吸离心泵不同转速、不同入流含气条件下的外特性实验和进、出口压力脉动实验。基于实验数据,对比分析了普通模型、MUSIG模型和修正模型分别用于泵内气液两相流定常计算所得的外特性曲线的差异。计算结果表明:（1）小流量工况下,普通模型外特性计算结果准确;额定流量下,计算误差随入口含气量的增加而逐步加大;小含气率时预测性能误差在5%以内,含气率高于3%时,除了小流量工况外,计算预测偏差大大增加;（2）与普通模型相比,MUSIG模型计算得到的外特性结果在实验流量范围内整体与实验数据有较好的吻合度,说明考虑了气相破碎聚合引起的气泡形变是模型计算准确度提升的重要原因,但计算量大约为普通模型的2倍;（3）修正模型的计算量与普通模型接近,得到的外特性曲线在整个实验流量范围内与实验结果的吻合度则远远高于普通模型,修正效果随着含气量增加逐渐显现。额定工况下修正模型将计算误差降至较小范围,修正效果最为明显。4.基于普通模型、MUSIG模型及修正模型分别开展离心泵气液两相流非定常数值计算,并对三种模型计算获得的流场速度、流型、气泡分布进行了数值分析。研究结果表明:（1）修正模型与MUSIG模型模拟得到的整体流场计算结果较为接近,均可反映出流场中的流型转变、回流区特性,并可获得气泡分布特性以及气泡形变规律,而普通模型无法得到气泡形变规律,在含气量增加后的流场计算结果与上述两种模型也存在较大差异;（2）修正模型与MUSIG模型模拟得到的泵内气液两相流流型转变特性为:小含气量时表现为均匀泡状流态,流动规律为气相与液相流线排列有序而紧密,湍动能维持较低水平;随入口含气量增加形成聚合泡状流态,出现少量回流,流场稳定性有所下降;当含气量继续增加以及流量增加后,气囊流出现,气囊部位的回流最为严重,流道被气囊占用且水力损失急剧增加。5.基于三种模型的非定常计算进一步深入分析了压力脉动和气囊详细演变过程,结果表明:（1）随入口含气量增加,泵内压力脉动幅值明显升高,波动剧烈。修正模型和MUSIG模型均可以反映出含气量增加后流场中的强压力脉动特性;（2）MUSIG模型描述了气相之间的破碎与聚并过程,最终形成气囊的速度与程度最强,普通模型模拟的气囊程度最轻,进而得出,小流量下气体粒子形变会加剧气体聚集程度,大流量下,则是引起气囊初生的重要原因。

侧流道泵是一种超低比转数径向式叶片泵,具有小流量、高扬程和可自吸等优点,目前被广泛应用于生产生活中,尤其是低粘度清洁流体的小流量高扬程和极端条件下两相流输送等场合。但是侧流道泵整体效率较低,内部存在大量旋涡,本文提出一种增加凸形叶片的优化设计方法,通过数值模拟与实验相结合,深入研究了带凸形叶片的侧流道泵能量转换特征及内部流动规律,为侧流道泵应用范围的拓宽及非定常流动理论提供了依据。本文的主要工作及创造性成果如下:（1）利用数值模拟对带凸形叶片侧流道泵的水力性能及内部流场进行了分析,并针对凸形叶片的位置进行进一步讨论。研究发现增加凸形叶片可以拓宽侧流道泵高效区,且当凸形叶片靠近叶轮内缘时,性能提升最大。从内部流场来看,当凸形叶片靠近叶轮内缘时,流体流线更加稳定,湍动能耗散也相对较少,同时流体在叶轮及侧流道间具有相对速度更大的纵向旋涡,交换运动明显增强。（2）首次利用Q准则、λ2准则及?方法对带凸形叶片侧流道泵内部涡结构进行捕捉,对比发现相较于传统判别准则,?方法捕捉到的涡结构更加准确合理。结果显示带凸形叶片侧流道泵内部涡团主要分布在叶轮及侧流道内部,尤其在靠近两流体域进、出口区域。叶轮内涡团分布规律呈周期性变化,其变化周期与叶片数有关,同时受流体流动状态变化的影响,叶轮进口处涡团多在压力面上,出口处则多在吸力面上。在侧流道内涡团分布规律随叶轮转动影响较小,无明显变化。此外,在带凸形叶片侧流道泵叶轮内、外缘处及进口区域附近存在大量轴向旋涡,这些轴向旋涡会阻碍流动,造成流动损失。（3）从带凸形叶片侧流道泵内部压力脉动特性发现:由于流体在进出口处流动形式的转变,进出口处的压力波动强度明显高于其余区域。时域结果表明,带凸形叶片侧流道泵内各监测点均出现振荡式压力脉动,且波动次数均与流体在叶轮及侧流道间交换运动的次数有关;同时叶轮及侧流道内监测点在一个波动周期内会随着叶轮的旋转出现两次峰值,在进口区域附近,前者为一个波动周期内最大值,而在出口区域附近,后者达到最大值。频域结果表明,压力脉动峰值均出现在叶频及倍频处,且均随着频率增大峰值逐渐减小,另外还发现凸形叶片位置对侧流道泵的压力脉动频域特性影响较小。（4）搭建侧流道泵水力性能实验台,对原始侧流道泵进行性能测试,并对实验测量结果进行不确定度分析,从而确保实验结果的准确性及可靠性,同时将实验结果与模拟结果进行对比。对比发现数值模拟计算结果与实验结果整体趋势一致,且各工况点的误差均在3%以内,表明本文的数值模拟方法及结果是可靠的。