唐紹猛

山西天然氣有限公司規(guī)劃技術(shù)部, 山西 太原 030032

0 前言

目前,中國天然氣產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展期,具有廣闊的發(fā)展前景。由于天然氣流速快、壓力高,天然氣管道幾乎都運(yùn)行在阻力平方區(qū)域內(nèi)[1],在此區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)摩阻系數(shù)只與管壁粗糙度有關(guān)。因此,降低管道輸送阻力對(duì)于提高管道輸送效率具有重要意義[2]。目前,輸氣管道的減阻方法主要有三種：內(nèi)涂層減阻法[3]、減阻劑減阻法[3]和界面仿生減阻法[4]。但內(nèi)涂層減阻法[2]不適用于管徑500 mm以上的輸氣管道,并且在管道快速泄壓和清管等外力作用下會(huì)使涂層出現(xiàn)起泡、剝離現(xiàn)象；減阻劑減阻法目前在實(shí)驗(yàn)室小口徑環(huán)道測(cè)試中應(yīng)用,可靠性尚需驗(yàn)證和改進(jìn),而且尚未有大口徑管道實(shí)驗(yàn)相關(guān)報(bào)道；而仿生非光滑表面減阻法是借鑒仿生學(xué)研究理論,把物體表面加工成非光滑形態(tài),進(jìn)而改變表面邊界層流場(chǎng)結(jié)構(gòu),抑制湍流猝發(fā)頻率和強(qiáng)度,降低表面摩擦阻力。此類減阻技術(shù)不需要添加特殊設(shè)備,且不會(huì)造成額外的能源消耗,故具有極高的科研意義和應(yīng)用前景。

肋條的尺寸由肋條高度以及肋條間距確定,通常用無量綱化表示,即無量綱肋高度h+和無量綱肋間距s+,滿足公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中:h+為肋高度,無量綱；s+為肋間距,無量綱；h為肋高度,m;s為肋條間距,m；U∞為流速,m/s；ν運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s；Cf為阻力系數(shù),無量綱。

以小管徑輸氣管道(φ=25 mm)為研究對(duì)象,如計(jì)算整個(gè)圓管內(nèi)的肋條,肋條數(shù)量較多,網(wǎng)格數(shù)量較大,因此僅計(jì)算圓管的一部分肋條,以周期性邊界給出,這樣可以達(dá)到減少網(wǎng)格的計(jì)算量,同時(shí)提高計(jì)算效率,來分析肋條在小管徑輸氣管中的減阻和流動(dòng)狀況,并與大管徑輸氣管道(φ=1 219 mm)進(jìn)行對(duì)比,把大管徑輸氣管道上進(jìn)行仿生肋條的數(shù)值模擬近似轉(zhuǎn)化為光滑平板上增加肋條的輸氣管道數(shù)值模擬[20]。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算域及邊界條件

流向長度為2 m,保證湍流充分發(fā)展,圓管的公稱直徑為25 mm。進(jìn)口處為速度入口,出口為自由流出口,壁面為無滑移壁面,肋條部分為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。圖1為計(jì)算域網(wǎng)格和切平面網(wǎng)格,軸向方向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)均勻分布,徑向方向在靠近管壁處進(jìn)行了網(wǎng)格加密,并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

1.2 工質(zhì)的選取

研究對(duì)象為天然氣,采用fluent自帶材料數(shù)據(jù)庫中CH4進(jìn)行數(shù)值模擬。T=288.16 K,ρ=0.667 9 kg/m3,μ=1.087×10-5kg/m·s。

1.3 肋條幾何尺寸

由于輸氣管道的公稱直徑較小,選取具有最佳減阻效果的對(duì)稱V形肋條[21-22]進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)稱V形肋條輸氣管道的幾何尺寸取h=s=0.51 mm以及h=s=0.9 mm[21]。

a)計(jì)算域網(wǎng)格

b)切平面網(wǎng)格

1.4 模擬參數(shù)設(shè)置

采用重整化RNG(重整化群湍流模型)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 流動(dòng)參數(shù)

城市燃?xì)夤艿蓝酁榈蛪汗艿?流速較小,流速范圍為2.5～12.5 m/s。流動(dòng)參數(shù)見表1。

表1流動(dòng)參數(shù)

流速/(m·s-1)Re/(×103)湍動(dòng)能參數(shù)epsilon參數(shù)2.53.840.0304870.49983357.680.1025473.0833927.511.520.2084898.9385751015.360.34492619.0209612.519.200.50970434.16813

流速為2.5 m/s時(shí),流動(dòng)處于臨界區(qū)域,在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),近似其流動(dòng)為湍流,當(dāng)流速增大時(shí),流動(dòng)處于湍流區(qū)。

2 光滑輸氣管道的數(shù)值模擬

2.1 光滑輸氣管道的阻力系數(shù)模擬值

對(duì)光滑輸氣管道的整個(gè)圓周及肋條相匹配的部分圓周進(jìn)行數(shù)值模擬,h=s=0.51 mm V形肋條(一個(gè)肋)的圓心角約2.44°,h=s=0.90 mm V形肋條(一個(gè)肋)的圓心角約4.43°。表2為光滑輸氣管道的阻力系數(shù)誤差值,誤差值1對(duì)應(yīng)于小尺寸的V形肋條誤差百分比,誤差值2對(duì)應(yīng)于大尺寸的V形肋條誤差百分比。

表2光滑輸氣管道的阻力系數(shù)誤差值

流速/(m·s-1)整圓周模擬值h=s=0.51mm模擬值/(×10-4)h=s=0.9mm模擬值/(×0-4)誤差值1/(%)誤差值2/(%)2.50.0745.218.973.81.850.0574.006.972.61.77.50.0503.526.003.23.2100.0463.135.520.62.512.50.0432.925.110.73.2

2.2 V形肋條輸氣管道的減阻率

V形輸氣管道的減阻采用的是計(jì)算整個(gè)管道的總阻力系數(shù),與光滑輸氣管道的模擬總阻力系數(shù)值進(jìn)行對(duì)比,得到V形輸氣管的減阻率。表3為不同速度下V形肋條輸氣管的減阻率。

表3V形肋條輸氣管道減阻率

流速/(m·s-1)減阻率/(%)s=h=0.51mms=h=0.9mm2.53.31.253.52.97.55.7-2.3106.4-1.312.56.5-4.3

3 光滑輸氣管道與V形肋條管道的流場(chǎng)分析

取來流速度2.5 m/s,軸向1.5 m位置處的切平面,對(duì)小管徑輸氣管道的流場(chǎng)進(jìn)行分析,云圖可以更直觀地表現(xiàn)流場(chǎng)的差異。

3.1 速度云圖分析

光滑輸氣管道與V形肋條管道速度云圖見圖2，如圖2-a)所示,光滑輸氣管道的速度云圖體現(xiàn)管道內(nèi)流速的變化情況,在靠近壁面處,流速較小,而輸氣管道中心位置處的流速較大,滿足圓管內(nèi)的流速分布規(guī)律。而對(duì)不同尺寸對(duì)稱V肋條輸氣管道的部分肋條輸氣管道進(jìn)行分析,如圖2-b)和2-c)所示,V形肋條輸氣管道在肋條位置的速度較小,靠近軸心位置的速度較大,h=s=0.51 mm的V形輸氣管道在靠近軸心位置的速度比h=s=0.90 mm的V形輸氣管道的小。這是由于溝槽底部的大部分流體受粘性作用影響,導(dǎo)致等價(jià)光滑表面以下的流體速度梯度變小,相當(dāng)于增高粘性底層的厚度,壁面平均速度梯度較小,進(jìn)而減小了邊界層內(nèi)流動(dòng)剪切力,導(dǎo)致摩擦阻力減小,符合突出高度理論。

3.2 湍動(dòng)能云圖分析

對(duì)于小管徑光滑輸氣管道,湍動(dòng)能沿著徑向分布是不均勻的,由壁面向軸心位置的徑向距離不斷增大,湍動(dòng)能是先增大而后減小。不同流速下的湍動(dòng)能也有同樣規(guī)律,當(dāng)流速較大時(shí),湍動(dòng)能也增大。小、大管徑光滑輸氣管道與V形肋條管道湍動(dòng)能云圖見圖3～4。在相同的天然氣進(jìn)口速度下,對(duì)于小管徑V形輸氣管道,肋底湍動(dòng)能較小,沿著徑向方向指向軸心,湍動(dòng)能先增大而后減小。而對(duì)于大管徑光滑輸氣管道,湍動(dòng)能沿著法向方向是變化的,隨著法向距離的增大而逐漸增大；在展向方向是均勻分布的。對(duì)比不同尺寸的V形肋條,h=s=0.51 mm V形輸氣管道在靠近肋條頂部的湍動(dòng)能要比h=s=0.9 mm V形輸氣管道的湍動(dòng)能小,因此,h=s=0.51 mm V形輸氣管道具有減阻效果。這是由于肋條阻滯了流向渦,會(huì)在肋條頂部產(chǎn)生二次渦。溝槽的減阻效果主要是由于其尖角結(jié)構(gòu)與湍流邊界層內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的流向渦,使得溝槽底部能夠保留較多的低速流體,多個(gè)溝槽作用下形成二次渦群,二次渦群將流向渦與溝槽底部分隔開,穩(wěn)定溝槽底部的流場(chǎng),達(dá)到減阻效果。

3.3 切應(yīng)力云圖分析

小、大管徑光滑輸氣管道與V形肋條管道湍動(dòng)能云圖見圖5～6。由圖5～6可知,對(duì)于小管徑輸氣管道,光滑輸氣管道切應(yīng)力沿軸向方向分布不均勻,在入口處的切應(yīng)力較大。切應(yīng)力沿徑向分布是均勻的。不同幾何尺寸V形肋條輸氣管道切應(yīng)力非均勻分布,在肋底切應(yīng)力較小,在肋頂切應(yīng)力較大。受入口處進(jìn)口速度的影響,切應(yīng)力較大。對(duì)于小管徑管道,h=s=0.9 mm和h=s=0.51 mm的肋條,在肋頂處的切應(yīng)力幾乎相同。而對(duì)于大管徑輸氣管道,光滑輸氣管道在展向位置的切應(yīng)力是均勻分布的,由于入口段受來流影響,切應(yīng)力較大,隨著流向距離的增大,切應(yīng)力逐漸減小。

a)光滑輸氣管道

b)h=s=0.51 mm

c)h=s=0.9 mm

a)光滑輸氣管道

b)h=s=0.51 mm

c)h=s=0.9 mm

a)光滑輸氣管道

b)h=s=0.51 mm

c)h=s=0.9 mm

a)光滑輸氣管道

b)h=s=0.51 mm

c)h=s=0.9 mm

a)光滑輸氣管道

b)h=s=0.51 mm

c)h=s=0.9 mm

4 結(jié)論

2)對(duì)于小管徑輸氣管道,對(duì)稱V形肋條輸氣管道在肋底速度較小,沿著徑向方向指向軸心處的速度逐漸增大。靠近管壁位置的湍動(dòng)能,h=s=0.51 mm對(duì)稱V形肋條輸氣管道要比h=s=0.9 mm對(duì)稱V形肋條輸氣管道小。而對(duì)于大管徑輸氣管道,h=s=0.9 mm對(duì)稱V形肋條輸氣管道比h=s=0.51 mm V形肋條輸氣管減阻效果好。

參考文獻(xiàn):

[1] 王劍波,王曉霖,陳建磊,等.天然氣減阻劑研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2016,45(2):40-49.

Wang Jianbo, Wang Xiaolin, Chen Jianlei, et al. Research Progress in Drag Reducing Agents with Inhibition Performance for Natural Gas [J]. Surface Technology,2016,45(2):40-49.

[2] 張興水,曹 杰.輸氣管道減阻內(nèi)涂層與減阻劑應(yīng)用現(xiàn)狀及效益分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(6):675-678.

Zhang Xingshui, Cao Jie. Application and Economic Benefits of Internal Drag-Reduction Coating and DRA in Gas Pipeline [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2013, 32(6): 675-678.

[3] 周 昊,徐 嘯,趙會(huì)軍,等.仿生非光滑表面減阻技術(shù)在油氣管道中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2014,(2):8-10.

Zhou Hao, Xu Xiao, Zhao Huijun, et al. Application of Biomimetics No-Smooth Surface Drag Reduction Technique to Oil and Gas Pipeline [J]. Pipeline Technique and Equipment, 2014, (2): 8-10.

[4] Choi H, Moin P, Kim J, et al. Direct Numerical Simulation of Turbulent Flow over Riblets [J]. Journal of Fluid Mechanics, 1993, 255(1): 503-539.

[5] Lee S J, Jang Y G. Control of Flow Around a NACA 0012 Airfoil with a Micro-Riblet Film [J]. Journal of Fluids & Structures, 2005, 20 (5): 659-672.

[6] 馬付良,曾志翔,高義民,等.仿生表面減阻的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國表面工程,2016,29(1):7-15.

Ma Fuliang, Zeng Zhixiang, Gao Yimin, et al. Research Status and Progress of Bionic Surface Drag Reduction [J]. China Surface Engineering, 2016, 29 (1): 7-15.

[7] Hough G R. Drag Characteristics of V-Groove and Transverse Curvature Riblets [J]. Viscous Flow Drag Reduction, 1980, 72: 168-184.

[8] Bechert D W, Bruse M, Hage W, et al. Experiments on Drag-Reducing Surfaces and Their Optimization with an Adjustable Geometry [J]. Journal of Fluid Mechanics, 2000, 338: 59-87.

[9] 陳 瑩,陳迎春,黃 煒,等.旋成體表面溝槽減阻試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2012,26(2):42-45.

Chen Ying, Chen Yingchun, Huang Wei, et al. Experiment Investigation of Drag Reduction Using Riblets for a Slender Body [J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26 (2): 42-45.

[10] 謝 峰,王秀英,雷小寶.鯊魚皮減阻結(jié)構(gòu)的幾何建模與數(shù)值分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2014,26(7):1472-1476.

Xie Feng, Wang Xiuying, Lei Xiaobao. Geometric Modeling and Numerical Analysis on Drag Reduction Structure of Shark’s Surface [J]. Journal of System Simulation, 2014, 26 (7): 1472-1476.

[11] 李天然.仿生減阻表面的數(shù)值研究[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

Li Tianran. Numerical Study of Bionic Surface for Drag Reduction [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012.

[12] Pauly C P. What is a Shark Doing in This Pump?[J]. World Pumps, 2001, 2001 (423): 15-16.

[13] Djenidi L, Antonia R A. Laser Doppler Anemometer Measu-rements of Turbulent Boundary Layer over a Riblet Surface [J]. AIAA Journal, 2012, 34 (5): 1007-1012.

[14] Neumann D, Dinkelacker A. Drag Measurements on V-Grooved Surfaces on a Body of Revolution in Axial Flow [J]. Applied Scientific Research, 1991, 48 (1): 105-114.

[15] 攸連慶.V形溝槽表面結(jié)構(gòu)特征與減阻性能的關(guān)聯(lián)性研究[D].大連:大連理工大學(xué),2016.

You Lianqing. Study on the Relationship Between Structure Characteristics and Drag Reduction Performance of V Shaped Groove Surface [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2016.

[16] Walsh M J. Riblets as a Viscous Drag Reduction Technique [J]. AIAA Journal, 1983, 21 (4): 485-486.

[17] Walsh M J. Turbulent Boundary Layer Drag Reduction Using Riblets; Riblets as a Viscous Drag Reduction Technique [C]//Proceedings of the AIAA 20th Aerospace Sciences Meeting, January 11-14 1982, Orlando, Florida, USA. Reston: AIAA.

[18] Park S R, Wallace J M. Flow Alteration and Drag Reduction by Riblets in a Turbulent Boundary Layer [J]. AIAA Journal, 1994, 32(1): 31-38.

[19] 宋娟娟,徐 宇,黃宸武,等.非光滑表面湍流減阻的數(shù)值模擬研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2011,32(5):771-774.

Song Juanjuan, Xu Yu, Huang Chenwu, et al. Numerical Simulation of Drag Reduction by Non-Smooth Surfaces in Turbulent Flow [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32 (5): 771-774.

[20] 黎潤恒,趙成璧,唐友宏,等.三角形溝槽面圓管湍流減阻的大渦模擬數(shù)值研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(8):2021-2026.

Li Runheng, Zhao Chengbi, Tang Youhong, et al. Large Eddy Simulation on Turbulent Drag Reduction over Triangle Riblet Surfaces of Pipes [J]. Science Technology & Engineering, 2013, 13 (8): 2021-2026.

[21] 于 洋,劉德俊.仿生肋條減阻技術(shù)在輸氣管道中的應(yīng)用[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2017,37(4):23-28.

Yu Yang, Liu Dejun. The Application of Bionic Riblets on Drag Reduction in Gas Transmission Pipeline [J]. Journal of Liaoning Shihua University, 2017, 37 (4): 23-28.

[22] 劉德俊,于 洋,王國付,等.三種形狀肋條減阻特性與機(jī)理研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2016,37(7):1411-1415.

Liu Dejun, Yu Yang, Wang Guofu, et al. The Characteristic and Mechanism of Three Different Shapes of Riblets on Drag Reduction [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2016, 37 (7): 1411-1415.