仿生肋條減阻技術(shù)在輸氣管道中的應(yīng)用

于 洋， 劉德俊

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

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仿生肋條減阻技術(shù)在輸氣管道中的應(yīng)用

于 洋， 劉德俊

(遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

近年來(lái)，隨著天然氣需求量的不斷增加，輸氣管道輸送效率問(wèn)題越來(lái)越受到重視。由于輸氣管道的主要損失為摩擦阻力損失，因此降低摩擦阻力成為研究輸氣管道的重點(diǎn)。為探究V形肋條在輸氣管道減阻中的應(yīng)用，采用FLUENT軟件對(duì)兩種不同幾何尺寸的V形肋條進(jìn)行數(shù)值模擬，把大管徑管道仿生肋條的減阻研究近似轉(zhuǎn)換為平板輸氣管道的數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，V形肋條輸氣管道與光滑輸氣管道在對(duì)數(shù)層的速度-位置輪廓線不同；在相同天然氣進(jìn)口速度下，V形肋條肋頂?shù)那袘?yīng)力大于肋底的切應(yīng)力，且肋底的近壁局部湍動(dòng)能較小；肋高h(yuǎn)、肋寬s均為0.90 mm的V形肋條輸氣管道的減阻效果好于肋高h(yuǎn)、肋寬s均為0.51 mm的V形肋條輸氣管道。

輸氣管道； 肋條減阻； 數(shù)值模擬； 湍流邊界層； 摩擦阻力

輸氣管道的主要損失為摩擦阻力損失，因此減少摩擦阻力成為研究輸氣管道的重點(diǎn)[1]。輸氣管道減阻主要采用內(nèi)涂層減阻法[2]、添加天然氣減阻劑的方法[3]，以及仿生非光滑表面減阻法[4]。內(nèi)涂層減阻法是在管道內(nèi)表面添加涂層，從而有效地填充管壁凹陷，減小粗糙度。但是，現(xiàn)有技術(shù)存在減小粗糙度的程度有限、施工復(fù)雜、隨著輸氣時(shí)間的增加出現(xiàn)涂層脫落等問(wèn)題。添加天然氣減阻劑的方法是通過(guò)霧化系統(tǒng)將減阻劑噴入到管道內(nèi)，高速的氣流攜帶減阻劑擴(kuò)散到管壁表面，在管壁上形成一種彈性薄膜，一方面可以填充管壁凹陷，另一方面可以使天然氣與管道的接觸由“氣-固”接觸轉(zhuǎn)化為“氣-液”接觸。但是，對(duì)減阻劑的分子結(jié)構(gòu)、在管壁表面的吸附方式及填充程度等的研究都處于探索階段。仿生非光滑表面減阻法是仿鯊魚皮表面的盾鱗溝槽[5]，將一系列具有一定形狀、尺寸的突起肋條有序地布置在管道內(nèi)表面，從而形成非光滑減阻表面。該減阻技術(shù)具有較好的推廣前景。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溝槽及仿生肋條減阻方法進(jìn)行了大量的研究。M.J.Walsh[6]通過(guò)在低速湍流邊界層上針對(duì)一系列縱向溝槽的減阻效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到肋高h(yuǎn)及肋寬s均為0.51 mm的V形肋條的最大減阻率為8%的結(jié)論；D.W.Bechert等[7]對(duì)V形、U形、L形以及SpaceV形等四種類型的肋條進(jìn)行了水下阻力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示減阻效果最佳的是V形肋條，其最大減阻率可達(dá)到10%；B.E.Launder等[8]對(duì)光滑平板、V形、U形以及刀刃形肋條結(jié)構(gòu)的溝槽流進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，采用V形肋條傳感器在不同的進(jìn)口速度下對(duì)特定尺寸的V形肋條的不同位置進(jìn)行了熱線實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其最大減阻率為4%。

湍流邊界層分為內(nèi)層和外層，其中內(nèi)層包括黏性子層、過(guò)渡層、對(duì)數(shù)層，外層為湍流核心區(qū)域。對(duì)于光滑平板的湍流邊界層結(jié)構(gòu)，S.R.Park等[9]采用微型單傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了光滑平板的黏性子層的速度-位置輪廓線滿足式(1)的結(jié)論。

(1)

對(duì)數(shù)層的速度-位置輪廓線滿足式(2)。

(2)

A.Boomsma等[10]采用大渦模擬的湍流模型得到與式(1)相同的湍流邊界層公式。S.Martin等[11]得到光滑平板對(duì)數(shù)層的速度-位置輪廓線滿足式(3)的結(jié)論。

(3)

H.Choi等[12]采用直接數(shù)值模擬的方法對(duì)湍流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到了與式(3)相同的湍流邊界層公式。

對(duì)于肋條的湍流邊界層結(jié)構(gòu)，G.W.Sawyer等[13]對(duì)V形肋條進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)肋條的平均速度與湍流性質(zhì)在邊界層內(nèi)的對(duì)數(shù)層表現(xiàn)出與光滑平板不同的規(guī)律：

(4)

本文以大管徑的輸氣管道(φ=1 219mm)為研究對(duì)象。由于肋條的尺寸較小，與輸氣管道的管徑不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此輸氣管道的管徑越大，其彎曲程度就越小，故大管徑輸氣管道上仿生肋條的數(shù)值模擬可以近似地轉(zhuǎn)化為肋條平板上的數(shù)值模擬，其適用范圍為大管徑輸氣管道。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

為了保證天然氣的充分流動(dòng)，本文的計(jì)算域長(zhǎng)度取2.0m；為了保證上平面對(duì)湍流邊界層無(wú)影響，本文的計(jì)算域高度取0.5m。邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)口與上平面設(shè)為速度入口，出口為自由流出口，展向兩個(gè)平面設(shè)為周期性邊界條件。模型計(jì)算域示意圖如圖1所示。

圖1 模型計(jì)算域示意圖

1.2 工質(zhì)的選取

本文的研究對(duì)象為天然氣，采用FLUENT自帶材料數(shù)據(jù)庫(kù)中甲烷(CH4)進(jìn)行數(shù)值模擬。甲烷的溫度T為288.16K，密度ρ為0.667 9kg/m3，動(dòng)力黏度μ為1.087×10-5Pa·s。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。流向網(wǎng)格均勻分布；法向近壁處的網(wǎng)格需加密處理，而且需要控制網(wǎng)格的數(shù)量，根據(jù)不同的進(jìn)口速度確定第一層網(wǎng)格高度，設(shè)定無(wú)量綱壁面距離為1，且以1.1倍的網(wǎng)格尺寸增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。一個(gè)肋條的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)見(jiàn)表1，光滑輸氣管道和V形肋條管道的局部網(wǎng)格如圖2所示。

表1 一個(gè)肋條的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)

(a) 光滑輸氣管道

(b) V形肋條輸氣管道圖2 光滑輸氣管道和V形肋條輸氣管道的局部網(wǎng)格圖

1.4 CFD設(shè)置

采用重整化RNG的增強(qiáng)壁面函數(shù)湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。離散格式采用二階迎風(fēng)格式，具有一定的穩(wěn)定性并具有較高的精度。流場(chǎng)的迭代求解方法為SIMPLEC算法，具有較快的收斂速度，其殘差精度為10-6。

1.5 肋條的幾何尺寸

選取具有最佳減阻效果的V形肋條，V形肋條的幾何尺寸為：s=h=0.51 mm以及s=h=0.90 mm。

2 結(jié)果分析

2.1 光滑輸氣管道的數(shù)值模擬

2.1.1 平均阻力系數(shù) 選取流向1.5～1.7 m的位置作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)光滑輸氣管道進(jìn)行阻力監(jiān)測(cè)，得到光滑輸氣管道的平均阻力系數(shù)。光滑輸氣管道平均阻力系數(shù)的理論值與模擬值的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 光滑輸氣管道平均阻力系數(shù)的理論值 與模擬值的對(duì)比結(jié)果

由圖3可知，光滑輸氣管道平均阻力系數(shù)的理論值和模擬值的誤差隨著速度的增加而不斷減小；在數(shù)值模擬范圍內(nèi)，速度為7.5 m/s時(shí)誤差最大，為3.9%。通過(guò)光滑輸氣管道平均阻力系數(shù)的模擬值與理論值的對(duì)比，可確定模擬結(jié)果的可靠性。因此，可以采用相同的湍流模型對(duì)光滑輸氣管道與V形肋條輸氣管道進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1.2 湍流邊界層 為深入了解湍流邊界層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，取流向位置為1.5 m處的切面進(jìn)行湍流邊界層速度-位置輪廓線的分析。在對(duì)數(shù)層，對(duì)速度-位置輪廓線進(jìn)行擬合，得到的公式為：u+=klny++b。其中，k為斜率；b為截距。在不同的天然氣進(jìn)口速度下，對(duì)光滑輸氣管道的湍流邊界層速度-位置輪廓線進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 光滑輸氣管的湍流邊界層速度-位置輪廓線擬合結(jié)果

由圖4可知，在黏性子層，滿足式(1)；在對(duì)數(shù)層，擬合直線函數(shù)為：u+=2.5lny++5.5，斜率的倒數(shù)與卡門常數(shù)相同。

2.1.3 流場(chǎng)分析 光滑輸氣管道中天然氣的流動(dòng)影響流場(chǎng)。因此，采用云圖的方式對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析，以獲得更多的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。以天然氣的進(jìn)口速度u=7.5 m/s為研究基準(zhǔn)，從切應(yīng)力及近壁面局部湍動(dòng)能兩方面進(jìn)行分析。光滑輸氣管道切應(yīng)力及近壁面局部湍動(dòng)能云圖如圖5所示。

(a) 切應(yīng)力 (b) 近壁局部湍動(dòng)能

圖5 光滑輸氣管道的切應(yīng)力及近壁局部湍動(dòng)能云圖

由圖5(a)可知，光滑輸氣管道在展向位置的切應(yīng)力是均勻分布的，由于入口段受天然氣進(jìn)口速度的影響，切應(yīng)力較大；隨著流向距離的增大，切應(yīng)力逐漸減小。考慮入口因素，選取流向位置等于1.5 m處的切平面進(jìn)行近壁局部湍動(dòng)能的分析。

由圖5(b)可知，光滑輸氣管道近壁局部湍動(dòng)能沿著法向是變化的，而在展向是均勻分布的；其近壁局部湍動(dòng)能隨著法向距離的增大而逐漸增大。

2.2 V形肋條輸氣管道的數(shù)值模擬

2.2.1 V形肋條的減阻率 通過(guò)數(shù)值模擬，得到了V形肋條在流向1.5～1.7 m的阻力系數(shù)，并與光滑輸氣管道在相同位置的模擬值進(jìn)行對(duì)比，得到了V形肋條在輸氣管道中的減阻率。不同的天然氣進(jìn)口速度下不同幾何尺寸V形肋條的減阻率見(jiàn)表2。

表2 不同的天然氣進(jìn)口速度下不同幾何尺寸V形肋條的減阻率

由表2可知，當(dāng)s=h=0.51 mm時(shí)，不同的天然氣進(jìn)口速度下減阻率較為相近，其值為3.3%～4.3%，且在天然氣進(jìn)口速度為15.0 m/s處的減阻率最大；當(dāng)s=h=0.90 mm時(shí)，不同的天然氣進(jìn)口速度下減阻率在4.5%～6.5%，在速度為7.5 m/s處減阻率達(dá)到最大，整體的減阻效果好于s=h=0.51 mm的V形肋條。

流向1.5～1.7 m處光滑輸氣管道及V形肋條輸氣管道的平均阻力系數(shù)對(duì)比如圖6所示。

圖6 光滑輸氣管道與V形肋條輸氣管道的平均阻力系數(shù)對(duì)比

由圖6可知，光滑輸氣管的平均阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于V形肋條輸氣管道；s=h=0.51 mm的V形肋條的平均阻力系數(shù)比s=h=0.90 mm的V形肋條大，兩種尺寸的V形肋條的平均阻力系數(shù)均隨著速度的增加而減小。因此，可直觀地得到s=h=0.90 mm的V形肋條具有更好的減阻效果。

2.2.2 V形肋條的湍流邊界層 V形肋條對(duì)湍流邊界層的影響主要體現(xiàn)在速度-位置輪廓線上。因此，對(duì)其進(jìn)行研究可以更深入地了解湍流邊界層的分層結(jié)構(gòu)。取與光滑輸氣管道相同流向位置處的切平面進(jìn)行分析，切應(yīng)力為平均切應(yīng)力，采用同樣的方式進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。

(a) s=h=0.51 mm

(b) s=h=0.90 mm圖7 不同尺寸V形肋條輸氣管道的湍流 邊界層速度-位置輪廓線擬合結(jié)果

對(duì)比圖7(a)與圖7(b)可知，兩種尺寸的肋條在對(duì)數(shù)層的速度-位置輪廓線的斜率相近，其斜率的倒數(shù)與卡門常數(shù)不同，斜率隨速度的增大而增大，截距隨速度的增大而減小；在對(duì)數(shù)層，s=h=0.90 mm的V形肋條速度-位置輪廓線的斜率比s=h=0.51 mm的V形肋條大，但截距則相反。對(duì)圖7與圖4進(jìn)行比較可知，兩種肋條的湍流邊界層的速度-位置輪廓曲線均與光滑輸氣管道不同。

2.2.3 V形肋條的流場(chǎng)分析 流體在V形肋條輸氣管道的流動(dòng)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，通過(guò)對(duì)切應(yīng)力以及近壁面局部湍動(dòng)能云圖進(jìn)行分析，可以獲得更多的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。為方便對(duì)比，采用與光滑輸氣管道相同的天然氣進(jìn)口速度進(jìn)行分析。取流向位置等于1.5 m處的切平面進(jìn)行近壁局部湍動(dòng)能云圖的分析。

(1)切應(yīng)力云圖。不同幾何尺寸V形肋條輸氣管道的切應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，V形肋條輸氣管道的切應(yīng)力是非均勻分布的，在肋條底部切應(yīng)力較小，在肋條頂部切應(yīng)力較大；在計(jì)算域入口位置受天然氣進(jìn)口速度的影響，切應(yīng)力較大；對(duì)比兩種不同幾何尺寸的肋條可知，在肋頂處，s=h=0.90 mm的V形肋條輸氣管道的切應(yīng)力比s=h=0.51 mm的V形肋條的切應(yīng)力大。

圖8 不同幾何尺寸的V形肋條輸氣管道的切應(yīng)力云圖

(2)近壁面局部湍動(dòng)能云圖。不同幾何尺寸V形肋條輸氣管道的近壁局部湍動(dòng)能云圖如圖9所示。由圖9可知，V形肋條的近壁局部湍動(dòng)能在肋底較小，而靠近肋頂部分的近壁面較大；對(duì)比兩個(gè)不同幾何尺寸的V形肋條，在肋頂?shù)慕趨^(qū)域，s=h=0.51mm的V形肋條比s=h=0.90 mm的V形肋條具有更多的大湍動(dòng)能區(qū)域。

圖9 不同幾何尺寸的V形肋條輸氣管道 的近壁局部湍動(dòng)能云圖

3 結(jié) 論

(1)在對(duì)數(shù)層，V形肋條輸氣管道的湍流邊界層速度-位置輪廓線擬合曲線的斜率和截距與光滑輸氣管道速度-位置輪廓線不同。

(2)V形肋條輸氣管道具有可觀的減阻效果，s=h=0.90 mm的V形肋條輸氣管道的減阻效果比s=h=0.51 mm的V形肋條輸氣管道好。在輸氣管道表面增加肋條可以減少天然氣與管壁之間的摩擦，從而減小能量損失。研究結(jié)果可為輸氣管道仿生非光滑表面減阻技術(shù)的應(yīng)用提供理論參考。

(3)在相同的天然氣進(jìn)口速度下，V形肋條肋頂?shù)那袘?yīng)力大于肋底的切應(yīng)力，且肋底的近壁局部湍動(dòng)能較小。

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(編輯 宋錦玉)

The Application of Bionic Riblets on Drag Reduction in Gas Transmission Pipeline

Yu Yang， Liu Dejun

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

In recent years, with the increasing demand for natural gas, more and more attention was paid to the transmission efficiency of gas transmission pipeline. Because the main loss of gas pipeline was the friction resistance, therefore reducing the resistance became the focus of the study. To explore the V-shaped riblets in transmission gas pipeline of drag reduction application, FLUENT was used to simulate two different geometric size of V-shaped riblets. The pipeline drag reduction of bionic riblets could approximate switch into flat gas transmission for numerical simulation. The results of the study showed that: compared with the smooth gas transmission pipeline, V-shaped riblet gas transmission pipeline of the turbulent boundary layer of velocity profile in the logarithmic layer was different; in the same gas velocity inlet, V-shaped riblet at the top of the shear stress was greater than the bottom of the riblet, also riblet on the bottom of the near wall local turbulent kinetic energy was small; the riblet height and spacing size of both 0.90 mm V-shaped riblet pipeline had more drag reduction effect than the size of both 0.51 mm V-shaped riblet pipeline.

Gas transmission pipeline； Bionic riblet of drag reduction； Numerical simulation； Turbulent boundary layer； Friction resistance

1672-6952(2017)04-0023-06

2016-08-27

2016-10-12

于洋(1991-)，女，碩士研究生，從事管道減阻方面的研究；E-mail：15141312452@163.com。

劉德俊(1967-)，男，碩士，副教授，從事管道輸送技術(shù)方面的研究；E-mail：ldj8448@163.com。

TE08

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.006

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn