天然气管道冲击流装置的探讨与研究

曹益铭

摘 要：本文是对冲击流装置做出试验，并在试验的基础上进行技术扩展。研究管径较大的冲击流装置在天然气管道内的应用和流体分析并与现在应用的冲击装置做出对比。定性分析二维分布对称流场中大管径击流装置和小管径击流装置的不同之处。在此研究的基础上继续深入探究其不稳定的流场情况，从而得到冲击流装置一些有意义的测试类试验和环地层流体的双线性流动理论分析对比图。

关键词：冲击流装置；流体分析；环地层流体的双线性流动理论

天然气是优质的清洁能源，增强天然气工业的发展是确保能源供应稳定的重要因素，天然气在一次能源结构中占有重要比例。超过90%的天然气需要利用管道实现长距离的输送。输送管道的内壁与天然气流体之间的摩擦力会产生一定损失。为了有效补充这些压力的损失，需要采取有效的方法来提升天然气的流动压力。由于装设、操作和维护增加压力的设备费用较高，因此需要研究出其他的方法来保证在输送天然气量压差一定的情况下实现最大值。

如何提高输送天然气管道的输气流量，目前行业通常采用的方法有增大管道内径、增加供气压或采取管道降阻增流措施。在主管道输送天然气量能够大致预测的情况下建设口径更大的输气管道比同时建多条小口径低压管道更实用，天然气管道输气量与管道内径的 2.5 次方为正比例关系。但是需要确保已经现有管道输气经济性和安全性等多方面的综合因素，流动状态为湍流状态时，增大压力未必能够有效的增强输送能力。

行业内减小阻力增强输送能力的方法，目前主要采用减小阻力添加剂技术、管壁内部涂层技术和管壁表面振动减小阻力技术。

1 减小阻力添加剂技术

天然气减小阻力添加剂是一种可以增加管道输量、减小气流摩擦阻力的化学添加剂。向管输气流中冲入减小阻力添加剂控制腐蚀与水合，来提高输气管道输气的效率。

上世纪九十年代，美国开始应用减小阻力添加剂技术，通过试验应用，初步取得了效果。使用的天然气减小阻力添加剂为具有与活性剂类似结构的聚合类物质或大分子物质，这些物质的分子结构特殊，能够吸收输气管壁界面与流体之间产生的湍急能量，减小管道内表面的阻力，随后吸收的湍急能量缓慢分散到气流中，从而实现减小阻能的目的。此方法解决了输气管道施工费用较高、工序复杂的弊端，尤其是减小阻力添加剂技术采用间隔时段连续注入的方式，解决了内部涂层方法容易涂层脱落减阻效果逐渐降低的缺陷。

2 管壁内部涂层技术

上世纪四十年代开始研究管壁内部涂层技术，该类技術在长距离天然气输送管道内大规模的采用，从上世纪六十年代此类技术被行业内大规模的采用。目前多数欧洲长距离天然气输送管道均采用管壁内部涂层技术。内涂层技术可以使输气管道的输气效率提升6%左右，该技术存在的缺陷是不能够在小口径的输气管道上得以应用，由于输气小口径管道的雷诺数比较低，减低输气小口径管道粗糙程度对阻力影响不大，管壁内部涂层效果不明显；大口径管道混合摩擦区多为粗糙区湍流，管壁内部涂层效果比较明显。采用试验与理论研究相结合方法，通过分析发现管壁内部涂层的原理在于可以有效的控制管壁表面气流的径向脉动。因此，只有大口径管道才容易实现抑制径向脉动，减阻效果比较明显。

3 管壁表面振动减小阻力技术

管壁表面振动减小阻力技术，近年来通过研究表明：壁面的频率振动能够降低管壁的表面摩阻及湍流强度。在雷诺数9200～19700波段范围内能够实现10%～15%减阻效果。

近年来，通过数据分析和计算进一步解释了展向壁面的振动减小阻力原理。目前主要提出“条带”原理和“流向涡”原理。研究表明内壁表面展向运动时，能够产生逆方向涡流，导致输送气体传输速度减慢，较慢的流速阻碍了管壁区域内流涡的拉伸状况，从而导致管壁内阻力增加。延展方向壁面振动能够销减管壁条带的结构，通过振动实现减小壁面阻力的效果。

本文所分析的小管径和大管径增输器的结构图

如图1和2所示，为本文分析的小管径脉冲流发生器和大管径脉冲流发生器的寸图。

4 结论

通过对流体管道减租的现状分析，得出，脉冲流发生器的发展前景是极其广阔的。脉冲流发生器特有的减租方式，同样也可以用于其他一些模型的研究。除此之外，它的多尺度等将脉冲流发生器极具特点的流场分布、湍流的特征完全的凸显了出来。将此模型用于教学研究中，使学生加深对湍急的认识起到了推进作用。

此外它的流场分布极具特点，湍流的诸多特征表现的淋漓尽致，例如多尺度等，所以这种模型也是可以应用于教学上加深学生对于湍流的认识。