V形肋條減阻技術在輸氣管道中的數值研究

唐紹猛

山西天然氣有限公司規劃技術部, 山西 太原 030032

0 前言

目前,中國天然氣產業已進入高速發展期,具有廣闊的發展前景。由于天然氣流速快、壓力高,天然氣管道幾乎都運行在阻力平方區域內[1],在此區域內的流體流動摩阻系數只與管壁粗糙度有關。因此,降低管道輸送阻力對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：內涂層減阻法[3]、減阻劑減阻法[3]和界面仿生減阻法[4]。但內涂層減阻法[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使涂層出現起泡、剝離現象；減阻劑減阻法目前在實驗室小口徑環道測試中應用,可靠性尚需驗證和改進,而且尚未有大口徑管道實驗相關報道；而仿生非光滑表面減阻法是借鑒仿生學研究理論,把物體表面加工成非光滑形態,進而改變表面邊界層流場結構,抑制湍流猝發頻率和強度,降低表面摩擦阻力。此類減阻技術不需要添加特殊設備,且不會造成額外的能源消耗,故具有極高的科研意義和應用前景。

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運動黏度,m2/s；Cf為阻力系數,無量綱。

以小管徑輸氣管道(φ=25 mm)為研究對象,如計算整個圓管內的肋條,肋條數量較多,網格數量較大,因此僅計算圓管的一部分肋條,以周期性邊界給出,這樣可以達到減少網格的計算量,同時提高計算效率,來分析肋條在小管徑輸氣管中的減阻和流動狀況,并與大管徑輸氣管道(φ=1 219 mm)進行對比,把大管徑輸氣管道上進行仿生肋條的數值模擬近似轉化為光滑平板上增加肋條的輸氣管道數值模擬[20]。

1 數值模擬

1.1 計算域及邊界條件

流向長度為2 m,保證湍流充分發展,圓管的公稱直徑為25 mm。進口處為速度入口,出口為自由流出口,壁面為無滑移壁面,肋條部分為旋轉周期性邊界條件。圖1為計算域網格和切平面網格,軸向方向網格節點均勻分布,徑向方向在靠近管壁處進行了網格加密,并進行網格無關性驗證。

1.2 工質的選取

研究對象為天然氣,采用fluent自帶材料數據庫中CH4進行數值模擬。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稱V形肋條[21-22]進行數值模擬,對稱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)計算域網格

b)切平面網格

1.4 模擬參數設置

采用重整化RNG(重整化群湍流模型)的增強壁面函數湍流模型進行數值模擬,可以得到較準確的模擬結果。離散格式采用二階迎風格式,具有一定的穩定性并具有較高的精度。流場的迭代求解方法為SIMPLEC算法,具有較快的收斂速度,其殘差精度為10-6。

1.5 流動參數

城市燃氣管道多為低壓管道,流速較小,流速范圍為2.5～12.5 m/s。流動參數見表1。

表1流動參數

流速/(m·s-1)Re/(×103)湍動能參數epsilon參數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,流動處于臨界區域,在進行數值模擬時,近似其流動為湍流,當流速增大時,流動處于湍流區。

2 光滑輸氣管道的數值模擬

2.1 光滑輸氣管道的阻力系數模擬值

對光滑輸氣管道的整個圓周及肋條相匹配的部分圓周進行數值模擬,h=s=0.51 mm V形肋條(一個肋)的圓心角約2.44°,h=s=0.90 mm V形肋條(一個肋)的圓心角約4.43°。表2為光滑輸氣管道的阻力系數誤差值,誤差值1對應于小尺寸的V形肋條誤差百分比,誤差值2對應于大尺寸的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算整個管道的總阻力系數,與光滑輸氣管道的模擬總阻力系數值進行對比,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形肋條管道的流場分析

取來流速度2.5 m/s,軸向1.5 m位置處的切平面,對小管徑輸氣管道的流場進行分析,云圖可以更直觀地表現流場的差異。

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管道內流速的變化情況,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,滿足圓管內的流速分布規律。而對不同尺寸對稱V肋條輸氣管道的部分肋條輸氣管道進行分析,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,導致等價光滑表面以下的流體速度梯度變小,相當于增高粘性底層的厚度,壁面平均速度梯度較小,進而減小了邊界層內流動剪切力,導致摩擦阻力減小,符合突出高度理論。

3.2 湍動能云圖分析

對于小管徑光滑輸氣管道,湍動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,湍動能是先增大而后減小。不同流速下的湍動能也有同樣規律,當流速較大時,湍動能也增大。小、大管徑光滑輸氣管道與V形肋條管道湍動能云圖見圖3～4。在相同的天然氣進口速度下,對于小管徑V形輸氣管道,肋底湍動能較小,沿著徑向方向指向軸心,湍動能先增大而后減小。而對于大管徑光滑輸氣管道,湍動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能要比h=s=0.9 mm V形輸氣管道的湍動能小,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,會在肋條頂部產生二次渦。溝槽的減阻效果主要是由于其尖角結構與湍流邊界層內反向旋轉的流向渦,使得溝槽底部能夠保留較多的低速流體,多個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,穩定溝槽底部的流場,達到減阻效果。

3.3 切應力云圖分析

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

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 結論

2)對于小管徑輸氣管道,對稱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能,h=s=0.51 mm對稱V形肋條輸氣管道要比h=s=0.9 mm對稱V形肋條輸氣管道小。而對于大管徑輸氣管道,h=s=0.9 mm對稱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:

[1] 王劍波,王曉霖,陳建磊,等.天然氣減阻劑研究進展[J].表面技術,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.輸氣管道減阻內涂層與減阻劑應用現狀及效益分析[J].油氣儲運,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,趙會軍,等.仿生非光滑表面減阻技術在油氣管道中的應用[J].管道技術與設備,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狀與進展[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研究[J].實驗流體力學,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.鯊魚皮減阻結構的幾何建模與數值分析[J].系統仿真學報,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.仿生減阻表面的數值研究[D].大連:大連理工大學,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形溝槽表面結構特征與減阻性能的關聯性研究[D].大連:大連理工大學,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值模擬研究[J].工程熱物理學報,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值研究[J].科學技術與工程,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.仿生肋條減阻技術在輸氣管道中的應用[J].遼寧石油化工大學學報,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理研究[J].工程熱物理學報,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.