徐冰，李小玲，吳玉國

天然氣管道肋條減阻數(shù)值分析

徐冰，李小玲，吳玉國

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

隨著清潔能源的廣泛應(yīng)用，提高輸氣管道的輸送效率成為熱點(diǎn)問題，其中降低管輸過程中的摩擦阻力至關(guān)重要。為探究三角形肋條在輸氣管道減阻中的應(yīng)用效果，利用ANSYS?FLUENT軟件對光滑管道和肋條管道中的湍流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在近壁區(qū)域，肋條管道與光滑管道的速度剖面相差較大，主流區(qū)域相差較小，肋條結(jié)構(gòu)的減阻效果主要基于近壁面；肋條結(jié)構(gòu)將漩渦推離壁面，使肋底充滿低速流體，降低近壁面處動(dòng)量交換，減小摩擦阻力；與光滑壁面相比，尺寸為＝＝0.516 5 mm的肋條具有4.38%的減阻效果。

輸氣管道； 肋條減阻； 摩擦阻力； 數(shù)值模擬

目前，國際能源形勢嚴(yán)峻，相關(guān)研究表明，美國能源消耗總量的16.00%用于克服運(yùn)輸過程中阻力，如果能夠減阻50.00%，則每年可節(jié)約7.85%的能源[1]。天然氣管道的主要損失為摩阻損失，因此減小摩擦阻力成為輸氣管道的研究重點(diǎn)[2]。其中，仿生肋條減阻作為一種能夠有效減小壁面摩擦阻力的湍流減阻的方法，被認(rèn)為在天然氣管道運(yùn)輸中具有廣泛的應(yīng)用前景。

M.J.Walsh等[3?5]采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了平板肋條減阻研究，探究不同形狀、不同尺寸肋條的減阻情況，建立了大量的數(shù)據(jù)庫。J.R.Debisschop等[6]指出，與零壓力梯度流場相比，肋條在存在逆壓梯度流場的情況下減阻效果更好，減阻率為13.00%。D.C.Chu等[7]對V形結(jié)構(gòu)肋條進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，V形結(jié)構(gòu)的肋條只能在轉(zhuǎn)捩或完全發(fā)展的湍流流動(dòng)中發(fā)揮作用。B.E.Launder等[8]、M.Benhlilou等[9]利用湍流模型探究肋條表面流體的流動(dòng)情況，計(jì)算了近壁面流體的平均流速、雷諾剪切應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，表明使用CFD工具可以準(zhǔn)確地模擬肋條表面流體的流動(dòng)情況。于洋等[10]在大管徑輸氣管道中加裝肋條進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了流體流動(dòng)情況。李闖[11]采用大渦模擬方法，針對大管徑輸氣管道進(jìn)行了肋條減阻機(jī)理探究。

本文采用ANSYS?FLUENT軟件，針對實(shí)際天然氣管道，考慮實(shí)際加工難度，選擇既定管道鋪設(shè)三角肋條，對其湍流流場進(jìn)行了大渦模擬，觀察了肋條管道與光滑管道近壁處湍流邊界層流動(dòng)特性，分析了三角肋條的減阻效果及機(jī)理。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)

考慮到天然氣在實(shí)際管道中的流速，以低速流體在小管徑中的應(yīng)用作為出發(fā)點(diǎn)。從應(yīng)用以及施工難度方面考慮，選擇在光滑管道內(nèi)鋪設(shè)常見的三角形仿生肋條。選擇內(nèi)徑為15.000 0 mm的管道，流速初定為7.5 m/s。

研究對象為圓管中的V形肋條，選用減阻效果較好的肋條深度與間距相等的肋條結(jié)構(gòu)。

選擇在既定規(guī)格的圓管內(nèi)鋪設(shè)仿生肋條，可鋪設(shè)的肋條個(gè)數(shù)的表達(dá)式見式（1）。

式中，為肋條間距，mm；為被鋪設(shè)管道的既定半徑，mm；為可鋪設(shè)的肋條個(gè)數(shù)。

經(jīng)初步計(jì)算，得到鋪設(shè)肋條的個(gè)數(shù)為＝85.20，取整后得到圓管內(nèi)鋪設(shè)肋條個(gè)數(shù)為85個(gè)。單個(gè)肋條對應(yīng)的圓心角為4.235 3°。將肋條個(gè)數(shù)再次代入式（1），得到肋條間距＝0.516 5 mm，因此肋條高度為0.516 5 mm，無量綱化尺寸為+＝+＝10.0。

不同肋條的縱向突出高度示意圖見圖1[12]。圖1中，A、B、C代表三種不同縱向高度的肋條結(jié)構(gòu)。

圖1　不同肋條的縱向突出高度示意圖

從圖1可以看出，當(dāng)三角形肋條間距等于肋條高度時(shí)，肋尖距有效流源點(diǎn)的高度為：pl＝0.176。經(jīng)計(jì)算得，肋尖提升高度＝0.090 9 mm。

肋條有效流源示意圖如圖2所示。圖2中，為計(jì)算所得的有效半徑，mm。經(jīng)計(jì)算可知，肋條管道的有效直徑（2）為14.148 8 mm。換言之，在既定工況下，內(nèi)徑為15.000 0 mm的光滑管道內(nèi)鋪設(shè)仿生三角形肋條，其有效直徑為14.148 8 mm。

圖2　肋條有效流源示意圖

1.2 計(jì)算模型的確立

流體工質(zhì)為天然氣，甲烷溫度為288.16 K，密度為0.648 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.106 7×10-5Pa·s。計(jì)算域采用整周光滑圓管和整周加肋管道。光滑圓管的幾何模型：內(nèi)徑為14.148 8 mm，管長為75.0 mm。肋條管道選取內(nèi)徑為15.000 0 mm的天然氣管道，管長與光滑圓管流向長度相同。整周肋條管道共鋪設(shè)有85個(gè)肋條。光滑圓管及肋條圓管的幾何模型如圖3所示。

圖3　光滑圓管及肋條圓管的幾何模型

1.3 網(wǎng)格參數(shù)及計(jì)算條件設(shè)置

使用ICEM軟件，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格劃分。流向網(wǎng)格均勻分布，法向近壁處的網(wǎng)格需加密處理，且要控制網(wǎng)格的數(shù)量：第一層網(wǎng)格高度為0.01，且以1.01倍的網(wǎng)格尺寸增長率增長，以滿足無量綱壁面距離為1。以壁面減阻率作為檢驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果見表1。由于算例2和算例3的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果誤差相差很小，同時(shí)考慮到節(jié)約計(jì)算資源，采用網(wǎng)格量適中的方案即算例2進(jìn)行計(jì)算。

表1　網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

光滑管道和肋條管道的網(wǎng)格劃分如圖4所示，肋條管道網(wǎng)格近壁區(qū)局部示意圖如圖5所示。

圖4　光滑管道及肋條管道的網(wǎng)格劃分

圖5　肋條管道網(wǎng)絡(luò)近壁區(qū)局部示意圖

采用LES湍流模型進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算。壓力速度耦合求解采用SIMPLE算法[13]，梯度求解采用基于單元的最小二乘方法，壓力求解采用二階格式，動(dòng)量方程求解采用中心差分，時(shí)間離散采用二階隱式格式。肋條壁面設(shè)為固壁無滑移，流向兩個(gè)面設(shè)為平移周期性邊界條件，給定質(zhì)量流量為7.641 3×104kg/s。

LES模型選取Smagorinsky?lilly亞格子模型，模型系數(shù)采用默認(rèn)值0.1。時(shí)間步長Δ＝0.05/l（l為槽內(nèi)最大流速，m/s；為網(wǎng)格相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，mm），其值為1×10-5s，對10 000個(gè)時(shí)間步的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間平均處理，獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 時(shí)均結(jié)果分析

光滑管道及肋條管道的減阻數(shù)據(jù)見表2。分別提取了壁面上的平均剪切力，通過時(shí)均處理，比較后得到減阻率為4.38%。

表2　光滑圓管及肋條管道減阻數(shù)據(jù)

將數(shù)值模擬得到的減阻率結(jié)果與理論計(jì)算值及前人的實(shí)驗(yàn)值[14?15]進(jìn)行對比，結(jié)果基本吻合，證明了本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。減阻率計(jì)算公式見式（2），減阻率計(jì)算結(jié)果對比如圖6所示。

式中，為減阻率，%；為光滑管道壁面摩擦阻力，N；為肋條管道壁面摩擦阻力，N。

從流場中分別提取平均流向速度，對其進(jìn)行無量綱化處理，通過時(shí)均處理得到光滑管道和肋條管道的流向速度分布，結(jié)果如圖7所示。橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別是通過摩擦速度以及運(yùn)動(dòng)黏度進(jìn)行無量綱化處理得到的指標(biāo)。

圖7　光滑管道及肋條管道流向速度分布曲線

由圖7可以看出，在近壁區(qū)，光滑管道和肋條管道有較大的差距。其中，相對于光滑表面，流體流經(jīng)肋條結(jié)構(gòu)表面時(shí)速度相對較大，而光滑管道近壁區(qū)的速度斜率較大，其速度梯度較大。由圖7還可以看出，隨著與壁面距離的增大，兩條曲線逐漸貼合，在管道中心位置略有差異，這說明肋條結(jié)構(gòu)減阻主要在近壁區(qū)，與主流區(qū)的關(guān)系相對較小。這一結(jié)果驗(yàn)證與成慶林等[16]的觀點(diǎn)一致。

2.2 瞬時(shí)速度分析

在＝0.875 s時(shí)，光滑管道和肋條管道在流向截面＝0.037 5 m剖面處的瞬時(shí)速度分布云圖如圖8所示。從圖8可以看出，瞬時(shí)速度沿著徑向發(fā)生變化。其中，在圓管中心區(qū)域的瞬時(shí)速度較大，且速度變化較慢，而在壁面附近的瞬時(shí)速度變化較快。這與光滑管道和肋條管道的平均流向速度曲線相一致。

圖8　光滑管道和肋條管道在流向截面x=0.037 5 m剖面處的瞬時(shí)速度分布云圖

光滑管道和肋條管道近壁區(qū)局部瞬時(shí)速度分布云圖如圖9所示。其中，低速的藍(lán)色區(qū)域是因?yàn)楣艿澜趨^(qū)流體流動(dòng)主要受黏性力的作用，導(dǎo)致在這一區(qū)域內(nèi)形成黏性底層。由圖9可以看出，在逐漸遠(yuǎn)離近壁區(qū)時(shí)，慣性力對流體的作用大于黏性力，雷諾應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，因此形成了湍流對數(shù)率區(qū)。相比于光滑管道，肋條管道鋪設(shè)有足夠的仿生肋條結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體流經(jīng)肋條結(jié)構(gòu)表面時(shí)，低速流體充滿整個(gè)凹槽，使近壁區(qū)的低速流體厚度大于光滑管道，而低速流體的存在使高速流體被抬升，肋條上方的高速流體流過凹槽內(nèi)的低速流體，避免與壁面直接摩擦，此時(shí)凹槽內(nèi)的“安靜”流體起到了滾動(dòng)軸承的作用，這也是肋條的一種減阻機(jī)理。

圖9　光滑管道和肋條管道近壁區(qū)局部瞬時(shí)速度分布云圖

2.3 流線圖分析

光滑管道和肋條管道在近壁區(qū)的流線圖如圖10所示。剖面位置為＝0.037 5 m處。從圖10可以看出，在近壁區(qū)主要為低速流體層，且在肋條近壁區(qū)低速流體層更厚，凹槽附近充滿了低速流體。

圖10　光滑管道和肋條管道在近壁區(qū)的流線圖

相比于光滑管壁，流體流經(jīng)肋條結(jié)構(gòu)表面時(shí)，在溝槽上方形成流向渦。肋條管道近壁區(qū)局部流線圖如圖11所示。由圖11可以看出，在近壁區(qū)，溝槽內(nèi)充滿著低速流體，槽內(nèi)的渦數(shù)量較少，近壁區(qū)主要的渦基本都在溝槽外，這些渦旋的直徑大于凹槽結(jié)構(gòu)的寬度，因此無法進(jìn)入溝槽內(nèi)擾動(dòng)槽內(nèi)流體。肋尖附近的流體受高速流體的影響遠(yuǎn)大于肋底流體受到的影響，仿生肋條結(jié)構(gòu)表面的主要阻力來源都在肋尖附近。仿生肋條結(jié)構(gòu)可避免高速流體對壁面的直接掃掠，減少能量直接交換帶來的損失。根據(jù)二次渦理論，仿生肋條結(jié)構(gòu)限制高速流體在槽內(nèi)的活動(dòng)，通過將高速擾動(dòng)流體推離溝槽，也就是將漩渦推離凹槽，使溝槽內(nèi)主要沖滿低速流體以及少量的渦，是仿生肋條結(jié)構(gòu)產(chǎn)生減阻效果的重要原因。

2.4 渦等值面分析

在＝0.875 s時(shí)，光滑管道及肋條管道的瞬時(shí)渦等值面圖如圖12所示。通過準(zhǔn)則計(jì)算并運(yùn)用流向瞬時(shí)速度著色，圖為＝－300 000時(shí)的等值面。

圖11　肋條管道近壁區(qū)局部流線圖

圖12　光滑管道及肋條管道瞬時(shí)渦等值面圖

由圖12（a）可以看出，光滑管道中存在不連續(xù)的渦，這體現(xiàn)了湍流流場結(jié)構(gòu)的間歇性，其中渦的抬升以及下降對壁面摩擦阻力產(chǎn)生較大的影響；光滑壁面渦較大，密度相對較高，其近壁區(qū)湍流活動(dòng)也相應(yīng)較多。

由圖12（b）可以看出，肋條管道與光滑管道相反，在近壁區(qū)渦較小。這是因?yàn)槭芾邨l結(jié)構(gòu)的影響，其渦核相對較細(xì)小。

由圖12（b）還可以看出，渦量主要集中在肋尖附近，在槽道內(nèi)部幾乎不存在渦，表明湍流活動(dòng)被限制在凹槽以外的區(qū)域發(fā)展，這也是肋條在管道中減阻的機(jī)理。此外，渦的分布沿徑向發(fā)生變化，靠近主流區(qū)中心的渦更尖銳，甚至呈現(xiàn)一定的錐形，湍流活動(dòng)也相應(yīng)減小，這一現(xiàn)象體現(xiàn)了肋條結(jié)構(gòu)對大量渦旋發(fā)展的影響。

3 結(jié) 論

（1）仿生肋條結(jié)構(gòu)在肋尖附近剪切力較大，在肋底剪切力較小。相比于光滑管道，肋條管道的摩擦力主要來源于肋尖，在相同工況下具有4.38%的減阻效果。

（2）仿生肋條結(jié)構(gòu)限制了高速流體在槽內(nèi)的活動(dòng)，通過將高速擾動(dòng)流體推離溝槽，也就是將漩渦推離凹槽，使溝槽內(nèi)主要沖滿低速流體以及少量的渦，是仿生肋條結(jié)構(gòu)產(chǎn)生減阻效果的重要原因。

（3）以天然氣為工質(zhì)，選擇常規(guī)天然氣中低流速作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際加工難度，在既定管道鋪設(shè)肋條，從而計(jì)算合適的肋條尺寸（肋條間距的實(shí)際無量綱值在最優(yōu)的減阻性能附近）以及光滑管道的有效直徑。在考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了相對理想的減阻效果。

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Numerical Analysis of Drag Reduction of Riblet in Gas Pipeline

Xu Bing， Li Xiaoling， Wu Yuguo

（College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China）

With the wide application of clean energy, improving the transportation efficiency of gas pipeline has become a hot issue, among which, it is very important to reduce the friction resistance in the pipeline transportation process. In order to explore the application effect of triangular riblet in the drag reduction of gas pipeline, ANSYS?FLUENT software was used to numerically simulate the turbulent flow in smooth pipeline and riblet pipeline. The results show that: in the near wall area, the velocity profile of ribbed pipe and smooth pipe has a big difference, and the difference is small in the mainstream area. The drag reduction effect of riblet structure is mainly based on the near?wall surface. The riblet structure pushes the vortex away from the wall surface, filling the rib bottom with low?speed fluid, reducing momentum exchange near the wall surface and friction resistance. Compared with the smooth wall surface, the riblet structure with the size of＝＝0.516 5 mm has a drag reduction effect of 4.38%.

Gas pipeline； Drag reduction by riblets； Frictional resistance； Numerical simulation

TE832

A

10.3969/j.issn.1672?6952.2022.03.010

1672?6952（2022）03?0056?06

http：//journal.lnpu.edu.cn

2021?04?28

2021?06?01

遼寧省博士科研啟動(dòng)基金計(jì)劃項(xiàng)目（2020?BS?227）；遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（2019?ZD?0060）。

徐冰（1999?），女，碩士研究生，從事長輸管道減阻方面的研究；E?mail：316206849@qq.com。

吳玉國（1977?），男，博士，教授，從事油氣儲運(yùn)及相關(guān)技術(shù)方面的研究；E?mail：wyg0413@126.com。

（編輯 宋錦玉）