壁面微溝槽對輸油管道阻力特性影響的數值研究*

李恩田 袁康 劉洋 樊劉通 呂曉方

常州大學石油工程學院

隨著社會對油氣能源需求量的不斷增加，如何有效利用能源成為了國內外專家的研究重點。在原油輸送過程中，由于受到管道內壁摩擦力的影響，不可避免地造成管道能量浪費，因此，降低原油輸送過程中的摩擦力對于節約能源具有一定的意義[1-2]。另一方面，在管道內壁摩擦力的作用下，原油的輸送效率也會下降，為了提高原油的輸送效率，對降低摩擦阻力的措施進行深入研究也十分重要。在管道內壁中設置仿生溝槽是降低原油管道摩擦阻力的有效措施之一。

近年來，國內外專家對降低原油管道摩擦阻力的仿生溝槽進行了深入研究，取得了一定的研究成果。LEE和WALSH等人[3-4]對鯊魚皮盾鱗的仿生結構進行了深入研究，并從流體力學的角度出發，對該種結構的減阻原理進行了深入解釋，但是研究成果中并沒有對鯊魚皮盾鱗結構尺寸的影響進行分析；BECHERT[5]等人采用實驗的方式對各種形狀溝槽的減阻效果進行了分析，研究成果表明，定角為60°的三角形溝槽的減阻效果最佳，但是研究成果中并沒有對三角形溝槽的尺寸、三角形溝槽槽底及尖端的流體流動狀態進行深入分析；DJENIDI[6]等人使用LDA技術對三角形溝槽的減阻效果進行了深入分析，研究結果表明三角形溝槽之間的距離也會對減阻效果產生影響，但是研究成果也沒有對溝槽槽底及尖端的流體流動狀態進行深入分析；國內學者攸連慶[7]采用數值模擬的方法對三角形溝槽的減阻效果進行了分析，研究結果表明，當三角形溝槽的頂角角度達到60°時，原油的減阻率可以達到11%，但是研究成果中沒有對三角形溝槽的尺寸和溝槽槽底及尖端的流體流動狀態進行深入分析。通過以上分析可以發現，在目前的研究成果中，三角形溝槽的研究仍然存在一定的缺陷。

針對目前研究成果中存在的問題，本次研究將采用FLUENT軟件，對2種尺寸的三角形溝槽進行減阻效果分析和優選，對優選出的三角形溝槽槽底和尖端的流場狀態進行分析，并與光滑管內的原油流場進行對比，深入解釋三角形溝槽減阻的基本機理，為溝槽減阻技術的進一步研究奠定基礎。

1 數值模擬參數設定

1.1 計算域及網格劃分

建立長度為2 km的管道結構，以此保證管道內的湍流結構可以得到充分的發展，管道的直徑為273 mm，假設管道進口位置作為原油的入口，管道出口作為原油自由流動的出口，管道的壁面選用無滑移壁面。在網格劃分方面，本次模擬過程的計算域網格和切平面的網格結構如圖1所示。在管道軸向上，網格結構是均勻分布的，在徑向上，靠近管道壁面的位置對網格進行加密處理，最后對網格結構進行無關性驗證。

1.2 邊界條件設定

原油管道屬于軸對稱結構，在進行研究時，可以將四分之一的管道結構作為研究對象。假設選擇四分之一的管道作為研究對象，則該結構模型將會存在2個展開平面，同時，在使用FLUENT軟件時，該軟件將提供2種邊界條件，分別是將邊界設置為對稱邊界和將邊界設置為旋轉式的周期性邊界，第1種邊界條件的應用范圍相對較廣，因此在本次研究中選用對稱邊界[8]。

圖1 計算域網格結構及切平面網格結構圖Fig.1 Computational domain grid structure and tangent plane grid structure

1.3 管道介質選取

本次研究的對象為原油，但是FLUENT軟件中并沒有提供原油這種材料，因此需要人為定義。將原油的類型定義為fluid，密度定義為820 kg/m3，比熱容定義為2 100 J/(kg·K)，導熱系數定義為0.2 W/(m·K)；黏度定義為0.85 kg/(m·s)。

1.4 三角形溝槽幾何尺寸

對于輸油管道而言，對稱結構的三角形溝槽較為適用，常見的三角形溝槽尺寸有2種，分別是h=s=0.3 mm和h=s=0.15 mm，其中， h為三角形溝槽的高，s為三角形溝槽的寬。因此，首先對這2種尺寸的三角形溝槽進行對比，優選出最佳溝槽尺寸，并對其進行流場分析[9]。

1.5 模擬參數及流動參數設置

在進行數值模擬的過程中，需要在FLUENT中選擇湍流模型，本次研究使用了重整化群湍流模型的管道增強壁面函數進行模擬，目前的研究成果已經表明，應用該種模型可以取得較好的結果。在算法選擇時，使用了二階迎風算法，這種算法不但具有很強的穩定性，而且還具有一定的模擬精度[10]。在對流場進行求解的過程中，使用了SIMPLEC算法，這種算法的收斂速度相對較快，而且完全適用于不可壓縮流體，計算殘差為10-6。

1.6 數據收集及分析

在進行實際模擬的過程中，由于整個過程具有一定的瞬時性以及時均性，因此，在計算過程中需要等到數據收斂，即管道進入完全的湍流狀態才可以收集數據。判斷數據是否收斂的方法較多，由于對計算的殘差進行監控并不能完全體現出數據收斂，因此在本次研究中主要對流體參數進行監控，例如管道壁面剪切力等，待這部分數據達到平衡狀態時，即可認為數據已經收斂，此時得到的數據較為合理[11]。

2 光滑輸油管道數值模擬

2.1 摩擦系數及摩擦阻力分析

根據上文對模型及流場的設定，選擇8種流速類型（管徑為273 mm的管道，理論上流速介于1.1～1.8 m/s之間），對管道的摩擦阻力系數進行了計算模擬和對比，對比結果如表1所示。從表1可以看出，h=s=0.15 mm的三角形溝槽在流速為1.6 m/s時，溝槽管道與光滑壁面管道的阻力系數誤差相對較小，僅為0.58%；h=s=0.3 mm的三角形溝槽在流速為1.3 m/s時，溝槽管道與光滑壁面管道的阻力系數誤差相對較大，為6.01%。在正常流速下，2種三角形溝槽管道與光滑壁面管道之間的阻力系數誤差都可以控制在7%以內，這證明了2種類型的三角形溝槽管道都具有良好的減阻效果。

表1 光滑管道與三角形溝槽管道摩擦阻力系數對比Tab.1 Comparison of friction coefficient between smooth pipe and triangular groove pipe

2.2 三角形溝槽減阻率分析

在進行減阻率分析的過程中，首先對2種類型三角形溝槽的管道整體阻力系數進行了計算，然后將其與光滑壁面管道的整體阻力系數進行對比并計算誤差，以此獲取2種類型溝槽結構的減阻率，計算結果如表2所示。從表2可以看出，2種類型的輸油管道減阻溝槽在正常流速范圍內都具有一定的減阻效果。其中，對于h=s=0.15 mm的三角形溝槽，在原油流速為1.6 m/s時，減阻率達到最大，值為7.8%；對于h=s=0.3 mm的三角形溝槽，在流速為1.4 m/s時，減阻率達到最大值4.3%。因此，對于常見的2種三角形溝槽尺寸，推薦使用h=s=0.15 mm的三角形溝槽。

表2 2種三角形溝槽管道減阻率對比結果Tab.2 Comparison of drag reduction ratio results for two kinds of triangular groove pipe

3 輸油管道流場分析

當三角形溝槽的尺寸為h=s=0.15 mm，且流速為1.6 m/s時，減阻率達到最大值，因此，使用h=s=0.15 mm尺寸的三角形溝槽，設定流速為1.6 m/s進行流場分析，以便發現流場的差異。

3.1 流動速度分析

圖2為在FLUENT軟件中模擬的光滑輸油管道、h=s=0.15 mm三角形溝槽輸油管道溝槽尖端及谷底的平均流向速度分布圖，圖3為FLUENT軟件中模擬的光滑輸油管道、h=s=0.15 mm三角形溝槽輸油管道溝槽尖端及谷底的截面流向速度云圖。

圖2 光滑輸油管道、三角形溝槽輸油管道溝槽尖端及谷底的平均流向速度分布圖Fig.2 Average flow velocity distribution diagram of smooth oil pipeline，the groove tip of triangular groove oil pipeline and valley bottom

3.2 速度脈動分析

圖4為光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道尖端和谷底沿管道 x、y、z方向的速度脈動均方根圖，圖5為光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道壁面位置處的速度脈動云圖。

圖3 光滑輸油管道、三角形溝槽輸油管道截面流向速度云圖Fig.3 Flow velocity cloud map of the section of smooth oil pipeline and triangular groove oil pipeline

圖4 光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道尖端和谷底沿管道x、y、z方向的速度脈動均方根圖Fig.4 Velocity pulsation root mean square diagram of smooth wall oil pipeline，triangular groove pipeline tip and valley bottom along the directions of the pipeline

圖5 光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道壁面位置的速度脈動云圖Fig.5 Velocity pulsation cloud diagram at the wall surface of smooth wall oil pipeline and triangular groove pipeline

3.3 渦量分布分析

圖6 為光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道的橫截面渦量分布云圖。從圖6可以看出，光滑輸油管道中，沿原油流向方向存在一對漩渦，原油在低速流動過程中，受這對漩渦的影響會產生湍流現象，從而使得輸油能量被大量耗散。而三角形溝槽輸油管道中存在著反向的一對漩渦，即速度方向相反的漩渦，這種漩渦會與尖端產生作用，從而在尖端位置產生了二次渦。

圖7為二次渦的模擬圖。從圖7可以看出，二次渦的渦值與尖端外部位置處流體的渦值相反，即二次渦的旋轉方向與尖端外部位置處漩渦的旋轉方向相反，速度相反的渦流會相互作用，使得渦流的強度降低，進而抑制渦流的出現，達到減阻效果，同時也可以說明，二次渦的存在也是三角形溝槽具有減阻效果的主要原因。

3.4 雷諾剪切應力分析

圖6 光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道的橫截面渦量分布云圖Fig.6 Cross-sectional vorticity distribution cloud diagram of smooth wall oil pipeline and triangular groove pipeline

圖7 二次渦的模擬圖Fig.7 Simulation diagram of secondary vortex

圖8 雷諾應力分布云圖Fig.8 Reynolds stress distribution cloud map

圖8 為光滑壁面輸油管道與三角形溝槽管道的雷諾應力分布云圖。從圖8可以看出，兩者的雷諾應力都相對較小，但是，三角形溝槽輸油管道的雷諾應力分布基本以藍色為主，證明該種類型的輸油管道的雷諾應力相對較小，這也證明了三角形溝槽輸油管道具有明顯的減阻效果。

4 結論

本研究中，首先對FLUENT軟件中參數的設定進行了具體的描述，對常見2種尺寸的三角形溝槽進行了減阻分析，優選出最佳的三角形溝槽尺寸，然后進行光滑壁面輸油管道與最佳尺寸三角形溝槽輸油管道流場分析，以此確定了三角形溝槽具有減阻效果的原因。通過研究得出以下結論：

（1） h=s=0.15 mm的三角形溝槽和h=s=0.3 mm的三角形溝槽在正常原油流速狀態下都具有明顯的減阻效果，當三角形溝槽尺寸為h=s=0.15 mm、流速為1.6 m/s時，管道的減阻效果達到最大，最大減阻率可以達到7.8%。

（2）對尺寸為 h=s=0.15 mm、流速為1.6 m/s的三角形溝槽輸油管道與光滑壁面輸油管道進行流場分析發現，由于三角形溝槽位置處流動平穩、速度脈動相對較小、存在二次渦，以及雷諾應力相對較小，使得壁面位置處可以抑制湍流的出現，同時可以降低摩擦阻力，進而達到減阻效果。