0 引言

由于混输泵输送的介质是气液混合物，泵入口的含气体积分数变化剧烈，往往会出现段塞流、泡状流和环状流等不稳定流态^[1-3]，这样不仅会大大影响混输泵的效率和扬程，还会降低混输泵的可靠性。因此，必须设计一种专门的均混装置来控制泵入口的气液两相流量，避免出现段塞流以及其他恶劣工况。FRAMO公司为此设计了一种垂直进口的均化器(也称段塞流抑制装置)，油气多相来流沿垂直方向进入均化器^[4]。试验研究结果表明：该均化器能够调节泵入口的含气率，极大地抑制段塞流的发生。此外，目前流行于化工行业的静态混合器能够利用流道的曲折性来构造湍流，从而达到均匀混合的效果^[5]。赵宏等^[6]提出的内置多孔通心管均化器方案在面对段塞流，即含气率大的情况时，气体极易聚集在均化器顶端产生气塞现象，导致入口处的压力骤升，来液有可能无法进入罐内；一旦混输泵停机，在特定的压力和温度下均化器内部会形成絮状气液混合物，造成堵塞。

针对上述问题，笔者设计了一种专门用于调节混输泵入口气液两相流量的气液混合器，并研制了原理样机，同时采用数值模拟与试验的方法来评价该气液混合器的实际效果，以期为后续的气液混合器等相关研究提供参考。

1 气液混合器的结构与工作原理 1.1 结构及原理

气液混合器结构如图 1所示。集气罩(固定在导气管上)位于罐体顶端，集气罩连接导气管，导气管与罐体底部混合腔的进气孔相连；混合腔包括收缩段、混合段和扩散段，收缩段设有两级收缩角θ₁和θ₂，这样可以减少流体能量损失^[7]。收缩段可以使流体加速形成射流，扩散段可以形成较强的湍流，便于气液两相混合。气液混合器设有回流口，当出现长时间的段塞流导致罐内存液不足，液位传感器检测气液混合器内部液位低于某一值时，回流口上的电磁阀打开，可以通过回流口补液，在水下作业时可以直接补充海水。油井产出液不含气时，气液混合器相当于通路；当存在大的泡状流或者段塞流时，来液进入罐内后会由于重力以及导气管破碎作用使气液两相分离，分离后的气相聚集在罐体内部上端集气罩内，液相会经收缩段形成加速射流进入混合腔，并在混合腔内部形成负压腔；此时聚集在上端的气相会受混合腔与罐体内部产生的压差影响进入导气管，在扩散段内由于流体产生的高强度湍流促使气液混合。当混输泵下次开启前，气液混合器内电热丝会加热气液混合物，从而破坏气液混合物的形成条件，疏通通路。

1.2 混合段进口结构优化设计

经研究发现，将喷嘴入口加工成圆弧状有利于减小能量损耗，使其局部损失系数降到0.05~0.10^[8]。因此，借鉴水力喷射喷嘴设计经验将进口喷嘴设计成双过渡段形式，其结构如图 2所示。

其中，喷嘴总长L，收缩段Ⅰ长度L₂，收敛角θ₁，收缩段Ⅱ长度L₁，收敛角θ₂。出口直径d，扩散入口直径d₁，扩散角θ₃，扩散段长度L₃，扩散段出口直径D₁。

入口处截面积A₁：

(1)

出口截面积A₂：

(2)

进口处局部损失系数ζ：

(3)

能量损失方程为^[8]：

(4)

将式(1)、式(2)和式(3)代入式(4)得：

(5)

通过公式(5)发现，设置过渡段后的进口(内径D)比无过渡段进口(内径D₀)能量损失小。

2 气液混合器内部流场数值模拟 2.1 多相流模型选取

利用FLUENT软件对气液混合器混合腔进行数值模拟分析。为了能够更加仔细准确地计算气液相的速度和体积分数等参数，选取精准度更高的Euler多相流模型。流动控制方程组采用有限体积法求解, 离散格式为二阶迎风差分格式, 结合多重网格法用SIMPLE算法耦合压力场和速度场。气液两相流线多存在漩涡和弯曲的情况，故湍流模型采用雷诺应力模型以提高计算的精确性^[9]。采用RNG k-ε湍流模型处理上述方程，分析气液混合器内部气液两相流场^[10]。

2.2 边界条件设定

入口边界条件采用压力入口，气液混合器入口压力为2.5 MPa, 入口为含气体积分数40%的气液混合物。出口边界条件为大气压出口。罐面和管道壁面均采用无滑移壁面边界条件。

2.3 数值模拟结果分析

计算模型中混合腔进口喷嘴内径30 mm，出口喷嘴内径40 mm，扩散段长150 mm，出口直通道段长300 mm。现截取混合腔段模拟结果如图 3和图 4所示。从图 3可以看出，气液混合物在气液混合器内发生分离，液体流经混合腔时，与气相混合后吸出。从图 4a可以看出，流体经过逐级收缩加速段后压力呈明显的梯度下降，整个混合段的压力场可以分为3个区域，分别是：进口喷嘴辐射低压区、混合腔负压区及出口喷嘴碰撞高压区。进口喷嘴辐射低压区形成的原因是：流体经过喷嘴时速度急剧升高，瞬间在混合腔内形成的负压区对进口喷嘴处造成低压辐射。流体经过出口喷嘴时，压力升高并辐射到混合腔室内部分区域。混合流体经过出口喷嘴后，流速逐渐下降，压力逐渐升高。

混合段内部湍流强度(无因次)分布如图 4b所示。具体可分为4个区域：进口喷嘴射流低强度区、两相流体碰撞混合高强度区、下喷嘴碰撞高强度区、混合腔内壁碰撞高强度区。流体经过进口喷嘴射进混合腔室，此时混合扰动小，流体之间只存在滑移，因此湍流强度较低；导气管内部气相与混合腔内液相相遇发生混合扰动剪切，因此形成较强的湍流区；混合流体与混合腔收缩壁面发生碰撞形成较高强度湍流区，并在出口喷嘴和扩散段的交界处形成高强度的湍流区。综上可知，混合段混合腔室内部能够产生负压区，对罐内部上端分离的气体形成强烈抽吸作用，并能在混合腔内和扩散段激发高强度的湍流，促使气液混合器气液进一步混合。

气液两相混合前速度不等，两者掺混后速度逐渐趋于相同，气相在水相的拖拽力下逐渐加速，相应的水相速度会逐渐减小，如图 5所示。这一数值模拟结果与A.TAZIBT等^[11]研究结论一致，证明了模拟结果的准确性。

3 混合腔结构优选 3.1 正交模拟试验

影响气液混合器混合腔的主要结构参数有收敛角、扩散角、出口直径和扩散入口直径^[12]等，选用L₉(3⁴)正交表进行试验，对气液混合器混合段进行结构优选。结构过程主要从2方面进行：①通过数值模拟方法对表 1中不同结构的混合腔进行数值模拟，得到不同尺寸及角度下混合腔产生的负压及湍流强度；②通过试验获得相关结构参数。

对表 1的数据进行极差分析，以混合腔产生负压及湍流强度作为考察指标，优选后得到喷嘴总长90 mm，出口直径24 mm，收敛角32°，扩散角14°。根据各组试验数据极差分析，按照作用由大到小依次排序为收敛角θ₁、出口直径d、扩散角θ₃、喷嘴总长L，根据优选后的尺寸设计气液混合器。

3.2 优化结果对比

以不同的收敛角、扩散角和喷嘴总长建模，共建立4组(a~d)进行数值模拟研究。a~d组混合腔各参数如表 2所示。

这里只选取3个影响因素比较大的参数进行建模仿真。经过数值模拟，a~d 4组所对应的混合腔出口截面处的液相体积分数分布云图如图 6所示。

从图 6可以看出，c组所对应的液相体积分数分布梯度最小，气液两相分布均匀。这说明其混合效果较好，正交试验优化后的混合腔能够显著增强气液两相的混合效果。

4 气液混合器样机试验验证 4.1 试验设备

混输泵采用实验室设计的双螺杆混输泵，它具有混输和短时间输送纯气的特点。根据前期数值模拟优化结果分别试制4组不同参数混合腔样件a~d，其他参数与数值模拟参数保持一致，分别进行试验来验证数值模拟结果的准确性。

4.2 试验方案及结果分析

试验在中船重工702研究所水池实验室进行。将空气和水作为试验介质来模拟油和气^[13]。试验台如图 7所示。采用气体流量计和涡轮流量计测定气体和液体的含量。为了检测泵的增压能力，在气液混合器出入口和泵出口安装有压力温度传感器。

首先分别测试a~d 4组参数气液混合器样机。在气液混合器入口通入含气体积分数为30%的气体，泵转速800 r/min, 待混输泵运行稳定后观察记录泵出口增压幅度的波动情况，验证气液混合器气液混合效果，试验结果如图 8所示。

从图 8可见，根据c组参数试制的气液混合器对混输泵的增压能力最好，且泵出口压力波动幅度最小，稳定在3 MPa左右。这说明该参数下的混合腔气液混合效果最好，试验结果与数值模拟结果一致，证明了所设计混合腔结构的合理性。

其次设置2组对照试验，验证有、无气液混合器情况下的实际增压效果，以混合效果最好的c组参数设计的气液混合器样机进行试验。在水池中模拟段塞流工况，启用回流口电磁阀，在混合器内液位较低时自动补液。当有气液混合器的工况下验证泵的增压能力。在混输泵运行稳定时，向混合器内通入时长为10 s的纯气，然后再通入时长为10 s的纯水，依次交替进行100 s，泵转速为800 r/min。在无混合器情况下重复上述工况进行试验。试验结果见图 9。从图可以看出，安装气液混合器后，即使短时通入纯气，在回流口补液后，混输泵的出口压力仍保持在3 MPa左右，波动幅度极小。因此安装该气液混合器后能够应对段塞流工况。

调节气路阀门来改变气体体积分数，使气液混合器入口的含气体积分数分别为10%~80%。在不同泵转速下，且不启用混合器回流口处电磁阀门，记录实际的气体压力和气体流量，分别在有无气液混合器和不同转速情况下进行试验，观察和记录泵出口处的压力。试验结果如图 10所示。

从图 10可以看出，在连接气液混合器后泵的增压能力比没有气液混合器提高17%左右。含气体积分数在20%~50%之间时差距最明显，此时气液混合器的混合效率最高。其原因是当含气体积分数过高时混合腔内产生气塞，混合效果变差，因此在实际应用时需要启动回流口进行补液作业。

同样在不同含气体积分数下记录有、无气液混合器时的泵效，结果如图 11所示。

从图 11可以看出，气液混合器可以显著提高混输泵的泵效。

因气液混合器整体结构复杂，所以要考虑流体通过时会有能量损耗产生一定压降。但直接计算气液混合器的压降难度极大，因此以试验的形式测量。在不同入口压力下产生的压降如图 12所示。

从图 12可以看出，压降随着入口压力的增大而增大，在泵增压到极限6 MPa时，气液混合器压降损失约为0.13 MPa，对整个增压系统影响较小。

5 结论

(1) 提出了“先分离，后混合”的新型气液混合方法，设计了一种新型气液混合器。它采用集气罩和导气管的搅拌破损作用使气液分离，利用混合腔与缓冲罐体内部产生的压差“抽吸”分离后的气体再进行混合。这样既能缓冲调节气液含量不稳定的工况，还能收到进一步混合气液的效果。

(2) 通过数值模拟和试验验证了所设计的气液混合器的实际效能，试验结果和数值模拟结果一致。利用正交试验优化得到最佳混合腔参数。安装气液混合器后泵的增压能力提高约17%，泵效提高约10%。

(3) 试验结果表明：该气液混合器压降在混输泵增压到6 MPa时，压降损失约为0.13 MPa, 对整个系统影响较小。