研究泵内流场尤其是混相流流场是改善深井泵性能的关键。随着PIV技术、LDV技术及超声波技术的日趋成熟，人们已经可以利用这些先进的流场测试技术在不干扰流场的情况下进行高精度的测量。在加拿大已有人使用这些先进技术研究深井泵流场，石油大学(北京)海洋力学试验室针对该问题应用PIV(粒子成像测速技术)进行了试验研究，其主要内容是测定不同流量时泵内流场的分布规律，并对比单相及混相流时深井泵内流场的异同。
1 粒子成像测速及图像处理技术
粒子成像测速(PIV)技术的基本原理①是利用撒在流体中的粒子对光的散射作用，用光学的方法记录下粒子在不同时刻在流场中的位置，从而得到粒子的位移，基于粒子对流场的跟随性，测出粒子所在位置上流体的速度及瞬时运动参数。
运用PIV技术，对流场中众多的粒子情况可以按时间顺序通过多次曝光记录在同一图像上，也可以通过高速摄影机记录在不同的图形上。利用有关的物理学及力学的假设和定律，并根据相应的数学模型，通过一系列数字运算即可得出反映流场特性的参数(粒子位移、速度等)。通常，PIV系统主要由照明系统、PIV图像记录存储系统以及PIV处理系统组成。
2 小型气液两相深井泵模拟试验装置
深井泵在井下工作，其工作介质也不是单相的，故很难对现场工作的深井泵的流场进行实际测试。另外，由于各油田油井地层条件很复杂，难以找到一般性的规律，因此，在实验室里建立了一套小型气液两相深井泵模拟试验装置，如图1所示。
该模拟试验装置主要由液压控制系统及气动控制系统组成。为了进行可视化研究，深井泵模型泵筒及柱塞均采用有机玻璃制造，其泵径为57mm，柱塞长度为0.3m，可模拟冲程为0～0.6m,冲次为0～6次/s,内压为0.7MPa的工况条件。
3 试验过程
采用与原油密度及粘度相近的工业白油作为试验介质，用与白油密度接近的GDX501聚苯乙烯小球作为示踪粒子。使用10W的氖激光发生器及相应的光路系统造成的强片光源作为PIV摄像的照明光源，并采用录像或照相的方法摄制PIV图像。针对不同的工况，分别对单相和气液两相流介质条件下深井泵泵筒、泵阀、柱塞等部位进行了PIV图像的录制和照相，以备进一步进行分析处理。
4 实验结果及分析
由于对深井泵固定阀部位流场的研究已有相应的研究成果，而且气液两相流PIV图像处理程序不完善，故这里侧重于分析流动介质为单相流体时深井泵游动阀及柱塞部位的流场。
4.1 深井泵泵阀运动规律
在试验中发现，深井泵泵阀的运动规律和以住人们对它的认识不完全相同，它的运动除了有垂直方向的直线运动，还伴随有两种旋转运动。当柱塞运动速度较小时，阀球绕水平轴上下旋转；当柱塞运动速度较大时，阀球绕竖直轴水平自转并且沿阀座内孔边角即阀座孔圆心轴公转。其旋转角速度与柱塞的运动速度有关，柱塞运动速度越大，阀球旋转角速度就越大。阀球的特殊运动形式主要与阀球、阀座结构的特殊性及流体的冲击有关。
深井泵泵阀是一个球形阀件，当流体绕过它流动时，在其后部将发生附面层的脱离现象，同时产生一个横向激动力。由于阀球的对称性，这种横向激动力将沿阀球的“赤道”周围周而复始地移动，使阀球不是始终位于阀座孔轴心线上，而是偏离一个距离且紧靠在阀座边角上旋转，这就是“公转”现象。
另外，由于流体流动的不稳定以及阀球的偏离造成流体相对阀球流动的不对称性，对阀球将产生一定的挠动，使这个横向力不是作用于球心，而是在水平面上又有一定的偏心，使阀球在水平面上还有一个转动，即“自转”现象。以上结论是在纯液体情况下得到的。在气液混相流时，由于气泡的存在，流场扰动更加剧烈，而且气泡对阀球具有一定的冲击作用，此时阀球运动就更加复杂，除了旋转运动以外，还有上下剧烈的跳动。
4.2 单相流游动阀球的PIV图像处理结果
从深井泵游动阀部位的流场速度矢量可以看出，游动阀球周围的流场不是对称分布的，其左边阀隙的边界层延续到近阀球顶部才脱落。这说明固定阀隙两边的流体对阀球的作用力是不平衡的，从而使得阀球产生旋转运动。随着冲次的增加，流体流速的提高，阀球边界层更早发生脱离，而且阀球周围流场不对称性依然存在，所以阀球的偏心更加强烈，这和试验过程中所观察到的阀球运动规律是一致的。
可以看出，由于流体对阀球的横向冲击力造成阀球偏离轴心，再加上其“自转”的影响，使得阀球在开启和关闭的时候都有一定的滞后时间，从而使泵的抽汲效率降低，造成泵冲程损失。另外，由于阀座形状的非流线型，使得吸入阻力增大，也使阀球的滞后时间增加，并使阀球的扰动加大。这种阀球的飘移与扰动与阀球及阀座的外形有很大的关系，为使阀球尽量接近于理想状态下的上下垂直运动，并且为了减少阀隙的过流阻力，可以改进阀罩和阀座的设计，使阀罩限制阀球的跳动高度。在保证最大过流面积的同时尽量使阀球只做上下垂直运动，并将阀罩及阀座外形设计成流线型，以此来减小过流阻力。这些改进可以减小阀球的扰动及缩短开启和关闭的滞后时间，从而达到提高泵效的目的。
另外，由该部位流场旋度可以看出，在游动阀吸入口柱塞底端与泵筒间有很明显的两个涡旋存在。这是因为柱塞进行下冲程运动时，由于柱塞底端有一定的面积，从而在向下运动过程中压迫其底部的液体向下流动。而此时游动阀球处于开启状态，游动阀球下端的液体被压入游动阀隙，并进入柱塞内腔，在柱塞底端部位造成液体回流，从而形成涡旋。这两个涡旋大大增加了液体的过流阻力，同时也增加了游动阀球的扰动程度。为了消除涡旋并减小过流阻力，可将柱塞底部截面积尽量缩小，并使其外形呈喇叭口型，从而减小过流阻力。
4.3 单相流柱塞出口处的PIV图像处理结果
单相流作用下柱塞顶端出口处流场速度矢量图。从图中可以看出,柱塞顶端出口处呈现以下的流场特征：柱塞内部管流呈对称流动状态，而且流线分布较均匀。这说明柱塞内部管流稳定，大致呈层流流动状态，这一点从柱塞出口处流场旋度中可以更清楚地看到。但在柱塞出口处，由于过流截面减小以及截面形状的变化，使得流体在柱塞出口处产生水平速度分量，尤其是在拐角处出现了涡旋,从而产生负压，增大了过流阻力。随着冲次的增加，柱塞出口拐角处的涡旋也不断加强，出口处过流阻力也相应加大。为了减少涡旋的产生，从该部位分析可知，若柱塞出口拐角处设计成流线型或在该部位制造倒角应会最大限度地减小涡旋，从而降低该部位的过流阻力。
5 建议
对深井泵应做以下改进：
(1)阀球是深井泵中的一个主要部件，也是易损件，它决定着泵的效率及检泵周期。建议对混相流深井泵采用偏心球形阀球，对于流道狭小的深井泵采用滴形阀球，对含砂的抽油井用深井泵则采用镶有密封胶皮的锥形阀球。
(2)在保证最大过流面积的条件下，对于阀球罩的过流断面形状，应该尽量采用流线型，以减小过流阻力。
(3)在设计柱塞的结构时，应该考虑将柱塞下端的吸入口设计成流线型或喇叭口型，以降低其吸入阻力。在保证柱塞出口有最大过流断面的同时，将柱塞出口流道也设计成流线型，以降低柱塞出口处的过流阻力。
作者简介:林盛(1971—)，男，1996年在石油大学(北京)获硕士学位，目前正在中国科学院力学研究所攻读博士学位。①董守平.粒子成像测速(PIV)及其图像处理技术.石油大学(北京)机电工程系内部资料.
参考文献：
［1］ 戈尔威 G W等.复杂混合物在管道中的流动［M］.北京：石油工业出版社，1983.
［2］ 史里希廷 H. 边界层理论［M］.北京：科学出版社，1993.
3/7/2007
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