离心泵中气泡动力学与能量转换的多尺度分析：一种混合H2P-PBM方法

《Powder Technology》：Multiscale analysis of bubble dynamics and energy conversion in centrifugal pump: A hybrid H2P-PBM approach

本研究构建了混合两相种群平衡模型（H2P-PBM），耦合Euler-Euler两流体与体积含气率框架，揭示了离心泵内气液两相多尺度流动特性。实验验证显示该模型能准确预测压力增量（误差<10%），识别气泡流（BF）、聚合气泡流（ABF）、气室流（GPF）和分离流（SF）四种流态。结果表明IGVF升高导致气泡聚集（平均直径增大400%），涡旋结构主导能量耗散（占比88-92%），关键流动失稳区域集中在叶轮吸力面、叶轮-涡壳交界面和舌区，气泡聚并机制与湍流耗散及气相浓度相关。该模型有效突破了单一模型对界面分辨率的限制，为气液离心泵优化设计提供新工具。

　　本研究旨在深入探讨离心泵在气液混合输送过程中的性能变化机制。离心泵作为一种广泛应用的流体输送设备，其结构紧凑、流量与扬程范围广、运行平稳且振动小，使得它在石油天然气运输、核电站、污水处理以及生物化学反应等场景中发挥重要作用。然而，当离心泵输送气液混合物时，由于气液两相之间的密度差异较大，会导致相间滑移现象，进而使气体在叶轮叶片的吸力面聚集，影响流道畅通，破坏介质输送的稳定性。这种现象不仅会引发气泡的聚并和破裂，还可能加剧流动不稳定，最终导致泵的性能下降。

为了更准确地理解气液混合输送过程中扬程下降的原因以及气泡在流道中的滞留机制，本研究重点分析了离心泵在不同入口气体体积分数（IGVF）条件下的气液流动特性及内部能量转换机制。通过建立一种混合两相群体平衡模型（H2P-PBM），该模型结合了欧拉-欧拉两流体模型（EE2F）和体积分数模型（VOF）的优势，能够同时捕捉气液界面的演变过程以及气泡的聚并和破裂行为。模型的预测结果与实验数据相比，误差小于10%，表明其在描述复杂流动现象方面具有较高的准确性。

研究发现，随着IGVF的增加，气泡的聚并现象更加显著，平均气泡直径从入口到出口增加了400%。在IGVF较低的情况下，主要表现为气泡流动（BF）和聚并气泡流动（ABF），此时气泡尺寸较小（小于0.46毫米），占据主导地位。而当IGVF增加到较高水平时，流动模式转变为气泡口袋流动（GPF）和分离流动（SF），此时气泡尺寸较大（1.29至10毫米），呈现出明显的聚并和聚集现象。此外，涡壳（volute）在能量耗散过程中贡献了超过50%的总熵生产，其中湍流耗散占据了主要部分（88%至92%）。流动不稳定主要集中在叶轮叶片的吸力面、叶轮与涡壳的连接区域以及叶轮出口的舌部区域，这些区域的涡旋强度和熵生产率与IGVF呈反比关系。

在气泡聚并和破裂过程中，湍流耗散的减少和气体体积分数的增加起到了关键作用。这一现象通过Luo模型进行了验证。同时，研究还指出，能量梯度理论揭示了流动分离和叶轮-静止部件之间的相互作用是导致流动不稳定的主要原因。H2P-PBM模型相较于单一模式的模拟方法具有明显优势，能够更全面地描述气液混合流动的多尺度特性，为优化离心泵的设计和提升其运行稳定性提供了有力工具。

本研究的背景在于，尽管已有大量关于离心泵气液两相流动特性的实验和数值研究，但在描述气泡动力学和能量转换特性方面仍存在不足。特别是，在气液混合流动条件下，气泡的尺寸变化不仅受到IGVF、流量和旋转速度的影响，还受到流场中涡旋结构的调控。涡旋的存在可能导致流动不稳定，从而引发显著的能量梯度和湍流动能耗散，造成能量损失。因此，除了研究气泡动力学外，还需要关注涡旋结构对能量耗散的影响，并深入分析能量转换的详细机制，以优化泵的结构设计并提升其运行性能。

在已有研究中，一些学者关注于离心泵气液两相流动中的宏观气泡运动和尺寸分布。例如，Luo等人通过可视化研究，观察到在三阶段半开式混流泵中，叶轮叶片上的孤立气泡经历了从球形到小气泡的六个演变过程，而分离流动中的气柱则经历了五个演变过程。此外，他们还发现，随着IGVF的增加，气泡在外部力的作用下更容易聚并，形成较大的气泡口袋或分离流动。相反，在叶轮下游的通道中，尾流和叶轮出口间隙流动会诱导气泡破裂，从而形成分散或聚并的气泡流动模式。

Li等人通过MATLAB分析高速摄像机图像，揭示了入口气泡形状以及力和涡旋对气泡聚并和破裂的影响。Gao等人则结合涡旋结构演变和熵生产理论，研究了ESP（电潜泵）的能量损失。他们发现，湍流耗散是总熵生产的主要来源，特别是在扩散器区域，能量损失更为显著。此外，他们还观察到叶轮和扩散器入口与出口处存在不同的涡旋结构。在临界和深 stall 条件下，第一级叶轮的熵生产率与涡旋脱落周期一致。

这些研究表明，气液两相离心泵中的气泡尺寸不仅受到IGVF、流量和旋转速度的影响，还受到流场中涡旋结构的调控，而涡旋结构是气泡聚并和破裂的关键因素。涡旋的存在可能导致流动不稳定，从而引发显著的能量梯度和湍流动能耗散，造成能量损失。因此，除了研究气泡动力学外，还需要关注涡旋结构对能量耗散的影响，并深入分析能量转换的详细机制，以优化泵的结构设计并提升其运行性能。

然而，目前大多数能量转换研究主要集中在单相泵上，针对气液两相泵的研究相对较少。Zhou等人通过无量纲熵生产参数分析多级ESP的内部流动熵生产，发现叶轮的系数远低于扩散器的系数。速度波动引起的粘性耗散是能量损失的主要原因。Zhao等人优化了多级双吸式离心泵的结构，通过选择九个叶轮和涡壳参数，提高了泵的效率并减少了能量损失。Wang等人研究了不同涡旋设计在混流泵中的应用，发现复合涡旋设计比自由涡旋设计更高效，且这种优势随着流量增加和扬程下降而增强。复合涡旋能够抑制熵生产和二次流动。Zhang等人通过实验研究了不同叶片角度和闸门角度对混流泵性能的影响，发现较大的叶片角度会改变能量性能曲线，而较小的闸门开口会导致扬程下降和液压损失增加。Li等人建立了一种计算混流泵瞬时能量转换效率的方法，发现叶轮末端泄漏、失速和回流涡旋是主要的能量损失来源，其中失速涡旋的影响最大。

为了改善失速特性，Ji等人研究了不同叶片厚度对混流泵性能的影响，发现设计和失速条件下能量损失的来源不同。他们发现，在低流量条件下，叶轮末端间隙对混流泵效率的影响较小，但在接近或处于设计条件时，叶轮末端间隙会显著改变扬程损失和熵生产率。研究结果还表明，叶轮末端间隙对临界失速区域的影响更为显著。Zhao等人通过能量传递分析描述了叶轮末端泄漏对叶轮动能转换的影响。Yuan等人则通过实验分析了离心泵在不同进流条件下内部能量的变化，发现非均匀进流会增加冲击损失和熵生产率，主要集中在叶轮吸力面和叶轮-涡壳连接区域。

尽管已有大量关于离心泵气液两相流动特性的研究，以及关于单相泵能量特性的分析，但在气液混合流动条件下，气泡动力学与能量转换特性之间的关系仍需进一步探讨。这一知识空白显著阻碍了离心泵气液两相性能预测模型的优化，以及针对性流动控制策略的开发。基于现有的建模框架，本研究引入了一种新的综合计算方法——混合两相群体平衡模型（H2P-PBM）。该模型将混合两相（H2P）模型的界面捕捉能力与群体平衡模型（PBM）的多尺度相分辨率能力相结合，能够更全面地描述气液混合流动的复杂特性。该模型经过实验验证，能够准确预测离心泵在不同气体含量条件下的气泡分布和能量转换特性。

通过H2P-PBM模型，研究发现气泡的分布模式在不同IGVF条件下存在显著差异。在低IGVF条件下，气泡主要以分散状态存在，而在高IGVF条件下，气泡则更容易聚并，形成较大的气泡口袋或分离流动。此外，气泡的聚并和破裂机制在不同区域表现出不同的特征。例如，在叶轮吸力面区域，气泡的破裂现象更为显著，而在叶轮出口与涡壳入口之间的界面区域，气泡的聚并现象则更为突出。涡壳在能量耗散过程中贡献了超过50%的总熵生产，其中湍流耗散占据了主要部分，表明在气液混合流动条件下，涡壳的湍流结构对泵的整体能量转换具有重要影响。

本研究还指出，气液两相流动的复杂性要求采用更为精细的模拟方法。传统上，离心泵的气液两相流动研究主要依赖于欧拉-欧拉两流体模型（EE2F）或体积分数模型（VOF），但这些模型在捕捉不同流动模式下的界面演变方面存在局限。例如，EE2F模型适用于分散气泡流动，而VOF模型则更适合于界面结构较为清晰的流动模式。然而，在实际应用中，由于离心泵的网格分辨率有限，VOF模型难以准确捕捉大尺度界面结构，而EE2F模型在气泡界面尺度较小时更为有效。因此，为了克服这些模型在不同流动模式下的局限性，研究引入了混合两相（H2P）模型，该模型能够灵活切换EE2F和VOF模型的界面捕捉方式，从而提高模拟的准确性。

H2P-PBM模型的建立不仅提升了离心泵气液两相流动模拟的精度，还为优化泵的设计和运行提供了新的思路。该模型结合了群体平衡模型（PBM）的多尺度相分辨率能力，能够更准确地描述气泡的聚并和破裂过程。通过实验验证，该模型能够有效预测离心泵在不同气体含量条件下的压力增量和能量转换特性。此外，研究还发现，气泡的聚并和破裂机制在不同区域表现出不同的特征。例如，在叶轮吸力面区域，气泡的破裂现象更为显著，而在叶轮出口与涡壳入口之间的界面区域，气泡的聚并现象则更为突出。涡壳在能量耗散过程中贡献了超过50%的总熵生产，其中湍流耗散占据了主要部分，表明在气液混合流动条件下，涡壳的湍流结构对泵的整体能量转换具有重要影响。

通过本研究，我们进一步明确了离心泵在气液混合流动条件下的性能变化机制。研究结果表明，随着IGVF的增加，气泡的聚并现象更加显著，平均气泡直径从入口到出口增加了400%。在低IGVF条件下，主要表现为气泡流动（BF）和聚并气泡流动（ABF），此时气泡尺寸较小，占据主导地位。而在高IGVF条件下，流动模式转变为气泡口袋流动（GPF）和分离流动（SF），此时气泡尺寸较大，呈现出明显的聚并和聚集现象。此外，研究还发现，涡壳在能量耗散过程中贡献了超过50%的总熵生产，其中湍流耗散占据了主要部分。流动不稳定主要集中在叶轮叶片的吸力面、叶轮与涡壳的连接区域以及叶轮出口的舌部区域，这些区域的涡旋强度和熵生产率与IGVF呈反比关系。

气泡的聚并和破裂机制在不同区域表现出不同的特征。例如，在叶轮吸力面区域，气泡的破裂现象更为显著，而在叶轮出口与涡壳入口之间的界面区域，气泡的聚并现象则更为突出。此外，研究还指出，气泡的聚并和破裂过程受到湍流耗散的减少和气体体积分数的增加的影响，这一现象通过Luo模型进行了验证。同时，研究还表明，能量梯度理论揭示了流动分离和叶轮-静止部件之间的相互作用是导致流动不稳定的主要原因。H2P-PBM模型相较于单一模式的模拟方法具有明显优势，能够更全面地描述气液混合流动的复杂特性，为优化离心泵的设计和运行提供了有力工具。

本研究的成果不仅为离心泵的气液两相流动模拟提供了新的方法，还揭示了气泡动力学和能量转换特性之间的相互作用机制。通过H2P-PBM模型，研究能够准确预测离心泵在不同气体含量条件下的压力增量和能量转换特性。此外，研究还发现，气泡的聚并和破裂机制在不同区域表现出不同的特征，例如，在叶轮吸力面区域，气泡的破裂现象更为显著，而在叶轮出口与涡壳入口之间的界面区域，气泡的聚并现象则更为突出。涡壳在能量耗散过程中贡献了超过50%的总熵生产，其中湍流耗散占据了主要部分，表明在气液混合流动条件下，涡壳的湍流结构对泵的整体能量转换具有重要影响。

本研究的意义在于，通过H2P-PBM模型的建立，为离心泵在气液混合流动条件下的性能优化提供了新的思路。该模型不仅能够准确捕捉气液界面的演变过程，还能够描述气泡的聚并和破裂机制，从而为优化泵的设计和提升其运行稳定性提供了依据。此外，研究还发现，气泡的聚并和破裂过程受到湍流耗散的减少和气体体积分数的增加的影响，这一现象通过Luo模型进行了验证。同时，研究还表明，能量梯度理论揭示了流动分离和叶轮-静止部件之间的相互作用是导致流动不稳定的主要原因。H2P-PBM模型相较于单一模式的模拟方法具有明显优势，能够更全面地描述气液混合流动的复杂特性，为优化离心泵的设计和运行提供了有力工具。

综上所述，本研究通过建立H2P-PBM模型，揭示了离心泵在气液混合流动条件下的性能变化机制。研究结果表明，IGVF的增加不仅促进了气泡的聚并，还显著影响了气泡的尺寸分布和流动模式。此外，研究还发现，涡壳在能量耗散过程中贡献了超过50%的总熵生产，其中湍流耗散占据了主要部分。流动不稳定主要集中在叶轮叶片的吸力面、叶轮与涡壳的连接区域以及叶轮出口的舌部区域，这些区域的涡旋强度和熵生产率与IGVF呈反比关系。气泡的聚并和破裂机制在不同区域表现出不同的特征，例如，在叶轮吸力面区域，气泡的破裂现象更为显著，而在叶轮出口与涡壳入口之间的界面区域，气泡的聚并现象则更为突出。通过本研究，我们为离心泵在气液混合流动条件下的性能优化提供了新的方法和理论支持，同时也为相关领域的进一步研究奠定了基础。