0 引言

电动潜油离心泵是解决油田采出液大流量的首选设备。油田井下地层油液中所含有的气体会使电动潜油离心泵的工作性能下降，严重时会产生气锁，造成泵的排量中断^[1]。

为了消除气体对电动潜油离心泵机组性能的影响，一般在井下油液进入离心泵前安装气体分离器。沉降式分离器能处理体积分数10%的游离气，旋转式分离器能处理体积分数小于30%的游离气^[2-4]。对于排量较大且含气量较高的油井，目前，国外贝克休斯公司采用了多叶片泵，通过增加叶片的数量来提高泵处理自由气的能力，从而提高泵的性能^[5]。斯伦贝谢公司声称其研制的高级气液混合器可处理体积分数45%的游离气，处理效率达99%，可有效地解决泵的气锁问题。据报道，在科威特某油井中采用电泵和旋转式气体分离器，电泵运转70 min后出现持续气锁，造成泵振动，无法正常工作。而加装高效气液混合器后，泵正常工作，产液量从143 m³/d上升到334 m³/d；在墨西哥某油井采用气举生产时，产液量为759 m³/d，用气为283万m³/d。在封隔器下方接入带高效气液混合器的电泵后，产出液的气体体积分数为29%，产液量增加到1 496 m³/d^[6]。在国内，中成机械制造公司的气液混合器可处理含气体积分数70%的油井，其产品在国内湛江和中东油田使用，效果较好；大庆油田力神泵业生产的气体处理器^[7]，在印尼ZELE-11井安装使用之后，使电潜泵机组在气液比较高的油井中稳定运行，并且运行时间达到327 d^[1]。胜利泵业有限责任公司生产的气液混合器也在含气量较高的油井中使用，并取得较好效果。

新型高气液比混合器以其处理高含气量混合介质引起普遍关注。通过文献查阅可知，对于混合器叶轮结构以及混合机理的研究鲜有报道，影响了混合器的推广应用。为此，笔者采用数值模拟方式，以水和空气为介质，运用Fluent软件对混合器内气液两相介质混合过程进行流场模拟，旨在揭示气液混合的机理，为后续建立混合器设计理论提供依据。

1 仿真模拟 1.1 结构

模拟的新型高气液比混合器关键部件叶轮(见图 1)进口直径45 mm，出口直径73 mm，设计扬程H=4.1 m，比转数180。每个叶轮有6个叶片，叶片出口安装角32°，叶轮叶片出口宽度11 mm。叶片呈空间扭曲结构，与叶轮上、下盖板及轮毂组合构成混流式结构。与常规离心泵叶轮结构不同的是：在混合器叶轮下盖板(轮盘)上的叶轮低压区有2个等直径(4 mm)的圆孔，每个流道对应2个孔，2孔沿着叶片流线方向排列，相互之间有小面积的重叠。靠近叶轮入口的孔是孔A，远离叶轮入口的孔是孔B，2孔连通叶轮出口高压区与叶轮进口低压区。

1.2 几何建模

新型高气液比混合器三维模型如图 2所示。

考虑到混合器轴向流动的周期性及叶轮流道的周向布置，建立了如图 2a所示的单级叶轮内单个流道的计算流域。流域由入口流道、旋转叶轮流道及叶轮出口流道3部分组成，叶轮流道上附有回流腔、孔B流道及孔A流道，孔B与孔A连通回流腔与叶轮进口。考虑到仅在揭示混合器气液混合机理以及计算的经济性，对叶轮进、出口流道进行简化并适当延伸。图 2b与图 2c分别是通过孔B及通过孔A轴线的叶轮流道轴向截面。图 2b中的箭头指示混合器液体流动的方向，即液体经叶轮入口进入叶轮流道，从叶轮出口流出，进入下一级叶轮。

其中，叶轮出口少量流体流入回流腔，经轮盘上开孔回流至叶片进口流道。

1.3 数值模型

图 3是在多重坐标中建立的混合器的动、静计算流域。流域网格采用六面体非结构化网格，叶轮进口延伸区、叶轮流道及出口延伸部分的计算单元数分别为75 000、87 000和95 000。叶轮周向是周期性边界，流道进口是速度边界(气、液两相均同)，出口自由流出。给定气泡的初始直径和流道进口截面含气率。采用标准κ-ε模型模拟气液两相流动，用欧拉模型模拟两相流的混合，用气泡数平衡模型模拟气泡的聚并和破碎。

依据油田现场用电潜泵下泵深度，选取高效气液混合器的操作压力为6 MPa，气相为空气，液相为水。入口流速1.5 m/s，叶轮转速2 850 r/min，入口气液比为0.2，初始气泡直径设定为1 mm。

2 模拟结果及分析 2.1 混合器流道截面速度和压力分布

图 4与图 5分别是通过孔B及孔A的流道截面上的液相速度与压力分布图。图 4a中，回流腔及孔B中流速较大，流动均匀；而对应图 5a中回流腔及孔A中流速较小，流动较弱。由此判断叶轮出口流入回流腔的流体大部分经孔B回流至叶轮入口区域，经孔A回流的流体流动则较弱。图 4b与图 5b压力云图显示，回流腔压力略高于叶轮进口区域压力，流体正是在此压差作用下回流至叶轮入口的。但由于孔A位于叶轮入口，孔B靠近叶轮出口，流体流经并联的孔A与孔B流道时，孔B流道的阻力相对较小，因此，大部分回流流体经孔B流道回流至叶轮叶片入口，有少量流体经孔A回流。

2.2 混合器流道截面粒径分布

通过上述分析可知，在回流中孔B起主要作用。为了进一步探讨孔B的作用，模拟了2种叶轮中的气液混输流动，一种是轮盘上同时开孔B和孔A，一种是轮盘上无孔B仅开孔A。图 6 与图7分别是有孔B与无孔B时叶轮流道中气泡的直径分布图。图 6显示孔B内及其周围气泡直径为0.3~0.7 mm，且最小直径气泡出现在孔B内靠近叶轮出口的壁面区域，聚集于该区域的小直径气泡会被流经孔B的回流液带回叶片入口区。而图 7显示叶轮流道中大直径气泡分布区域较大，仅在叶轮叶片出口较小区域出现了小直径气泡。

图 8与图 9分别是有孔B与无孔B时靠近叶轮下盖板处的流道截面上气泡直径分布图。图 8显示孔B周围沿流向较大的区域气泡直径都较小，小直径气泡几乎布满整个流道。图 9中仅在流经孔A下游小区域气泡直径较小，并且图 8中叶轮出口气泡直径明显小于图 9所示。

通过分析图 4~图 9可知，叶轮入口气泡直径初始值设为0.001 m，模拟显示流体流经叶轮流道开孔处(尤其是孔B)时，流道中出现大量的小直径气泡，说明该区域发生了气泡破碎现象。气泡气液相界面受到了某种外力的撕扯，当外力大于气泡表面张力时，气泡破裂为更小直径的气泡。由于孔A与孔B中是回流液的回流流动，理论上，回流至叶片入口区域(经孔A回流至叶轮入口区域)的回流液与流过叶轮流道的主流之间呈很大夹角，二者交叉形成强烈的剪切流动，将聚集在该区域的大直径气泡撕碎。孔A中回流液的流动较弱，经由孔A形成的剪切流动弱，因此孔A对气泡的撕裂效果显著小于孔B。

图 10和图 11分别是靠近叶轮下盖板流道截面上的速度与湍动能分布。

由图 10可以观察到，经孔B进入叶轮流道的流体速度大于叶轮流道中流体的速度，2股流体的运动方向存在一定角度，因而形成较强的剪切流动，由于孔B刚好位于叶轮低压区，该区域也是气相聚集最易发生聚并的位置，在此处形成的剪切流利用其剪切力剪切、撕碎聚集在此处的气泡，强烈的湍动混合作用同时将小气泡与周围液体混合，在叶片的作用下，将混合液推向流道下游。图 11湍动能云图显示孔B的周围沿着叶轮流动方向的湍动能较大，并向叶轮出口传递，说明该区域流体产生了强烈的湍流流动。湍动虽然带来能量的损失，但有利于气泡的切碎及与流体的混合，即孔B的存在使得气体进入叶轮时得到破碎和剪切，气体直径减小，气液两相得到均匀混合，达到了一种类似单相流的状态^[8-10]。

2.3 混合器叶轮级数的影响

通过上述机理分析可知，单级混合器具有破碎气泡的作用，但单级混合器达不到气液两相混合均匀的效果，直接进入离心泵时，离心泵还是无法正常工作。当使用混合器叶轮串联时，其破碎效果增强，并且可以使得气液两相均匀混合。图 12与图 13分别为混合器第1级叶轮和第33级叶轮流道内气相分布图。

第1级叶轮流道中，在叶片工作面高压区域含气体积分数在0%~20%之间，在叶轮出口及叶片非工作面区域，由于气泡聚并导致含气体积分数增至60%~80%之间，气相分布在流道中的分布非常不均匀；在第33级叶轮流道，含气体积分数基本都在20%，只有极小区域是30%，变化很小，说明气泡直径越小，气泡聚并现象越弱。模拟两相流经过33级串联叶轮作用后，气泡直径缩小为原来的10%，混合器内部气液基本达到了均相效果。可见，通过增强气液两相湍流流动来剪切破碎气泡直径，使气液两相均匀混合过程需要一定的时间，它与剪切力、含气体积分数和气泡直径等因素有关，具体的定量关系式也是本研究未来的研究内容之一。

图 14是气泡直径随混合器叶轮级数变化的曲线图。

从图 14可以看出，第1级混合器破碎气泡只能使其直径减小为原来的80%左右，达不到进入离心泵的要求，所以需要混合器多级串联。图中混合器级数较少时，气泡直径减小梯度大。在级数为12级时气泡直径变化逐步放缓，即混合器叶轮级数小于12级时，叶轮对气泡的切碎和混合效率高；叶轮级数大于12级后，各级叶轮对气泡的切碎效果减弱。混合液中较小的气泡进入电潜泵时，能够大大改善泵的吸入性能；同时气泡直径的减小对于混合器在相同入口含气体积分数条件下的扬程也有重要的影响。

2.4 含气量对混合器叶轮外特性的影响

图 15是混合器初级叶轮与末级叶轮无量纲扬程随入口液体含气体积分数的变化。图中H_l是输送纯液相产生的扬程，H_m是输送气液混合物产生的扬程。初级叶轮扬程随含气体积分数增大快速降低，当含气体积分数达到35%之后，无量纲扬程降到0.2，说明此时叶轮流道充满大尺度气泡，气液两相分离严重，导致叶轮基本失去对流体的加压能力。而末级叶轮扬程随含气体积分数增加下降缓慢，说明液相气泡直径减小，气液均匀混合为近似均相流体，保证了叶轮优异的泵送性能。

综上所述，混合器叶轮轮盘开孔连通叶轮出口高压流体回流至叶片进口区域，使叶片进口区产生强烈的剪切湍流流动，其中剪切力破坏气体积聚，破碎气泡，使气泡的直径减小，并与周围液体混合，改善了气泡的分布，使气液混合物在进入电潜泵之前混合均匀，从而也提高了相同含气体积分数下混合器的扬程。

3 结 论

(1) 高效气液混合器开回流孔具有冲散、切碎气泡，并使气泡与液相混合的作用；气泡直径越大，单级叶轮破碎气泡及混合气泡效率越高。

(2) 气泡直径的减小有利于混合器内部的气相分布，可使气相分布更加均匀。

(3) 混合器内部的气相分布均匀有利于相同含气体积分数下混合器扬程的提高，可以提高混合器的泵送效率。