仿生肋条减阻技术在输气管道中的应用

于 洋， 刘德俊

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)



仿生肋条减阻技术在输气管道中的应用

于 洋， 刘德俊

(辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001)

近年来，随着天然气需求量的不断增加，输气管道输送效率问题越来越受到重视。由于输气管道的主要损失为摩擦阻力损失，因此降低摩擦阻力成为研究输气管道的重点。为探究V形肋条在输气管道减阻中的应用，采用FLUENT软件对两种不同几何尺寸的V形肋条进行数值模拟，把大管径管道仿生肋条的减阻研究近似转换为平板输气管道的数值模拟。研究结果表明，V形肋条输气管道与光滑输气管道在对数层的速度-位置轮廓线不同；在相同天然气进口速度下，V形肋条肋顶的切应力大于肋底的切应力，且肋底的近壁局部湍动能较小；肋高h、肋宽s均为0.90 mm的V形肋条输气管道的减阻效果好于肋高h、肋宽s均为0.51 mm的V形肋条输气管道。

输气管道； 肋条减阻； 数值模拟； 湍流边界层； 摩擦阻力

输气管道的主要损失为摩擦阻力损失，因此减少摩擦阻力成为研究输气管道的重点[1]。输气管道减阻主要采用内涂层减阻法[2]、添加天然气减阻剂的方法[3]，以及仿生非光滑表面减阻法[4]。内涂层减阻法是在管道内表面添加涂层，从而有效地填充管壁凹陷，减小粗糙度。但是，现有技术存在减小粗糙度的程度有限、施工复杂、随着输气时间的增加出现涂层脱落等问题。添加天然气减阻剂的方法是通过雾化系统将减阻剂喷入到管道内，高速的气流携带减阻剂扩散到管壁表面，在管壁上形成一种弹性薄膜，一方面可以填充管壁凹陷，另一方面可以使天然气与管道的接触由“气-固”接触转化为“气-液”接触。但是，对减阻剂的分子结构、在管壁表面的吸附方式及填充程度等的研究都处于探索阶段。仿生非光滑表面减阻法是仿鲨鱼皮表面的盾鳞沟槽[5]，将一系列具有一定形状、尺寸的突起肋条有序地布置在管道内表面，从而形成非光滑减阻表面。该减阻技术具有较好的推广前景。

国内外学者对沟槽及仿生肋条减阻方法进行了大量的研究。M.J.Walsh[6]通过在低速湍流边界层上针对一系列纵向沟槽的减阻效果进行实验分析，得到肋高h及肋宽s均为0.51 mm的V形肋条的最大减阻率为8%的结论；D.W.Bechert等[7]对V形、U形、L形以及SpaceV形等四种类型的肋条进行了水下阻力测试，实验结果显示减阻效果最佳的是V形肋条，其最大减阻率可达到10%；B.E.Launder等[8]对光滑平板、V形、U形以及刀刃形肋条结构的沟槽流进行了数值计算，采用V形肋条传感器在不同的进口速度下对特定尺寸的V形肋条的不同位置进行了热线实验测量，发现其最大减阻率为4%。

湍流边界层分为内层和外层，其中内层包括黏性子层、过渡层、对数层，外层为湍流核心区域。对于光滑平板的湍流边界层结构，S.R.Park等[9]采用微型单传感器进行实验，得到了光滑平板的黏性子层的速度-位置轮廓线满足式(1)的结论。

(1)

对数层的速度-位置轮廓线满足式(2)。

(2)

A.Boomsma等[10]采用大涡模拟的湍流模型得到与式(1)相同的湍流边界层公式。S.Martin等[11]得到光滑平板对数层的速度-位置轮廓线满足式(3)的结论。

(3)

H.Choi等[12]采用直接数值模拟的方法对湍流结构进行分析，得到了与式(3)相同的湍流边界层公式。

对于肋条的湍流边界层结构，G.W.Sawyer等[13]对V形肋条进行数值分析，发现肋条的平均速度与湍流性质在边界层内的对数层表现出与光滑平板不同的规律：

(4)

本文以大管径的输气管道(φ=1 219mm)为研究对象。由于肋条的尺寸较小，与输气管道的管径不在一个数量级上，因此输气管道的管径越大，其弯曲程度就越小，故大管径输气管道上仿生肋条的数值模拟可以近似地转化为肋条平板上的数值模拟，其适用范围为大管径输气管道。

1 数值模拟

1.1 模型的建立

为了保证天然气的充分流动，本文的计算域长度取2.0m；为了保证上平面对湍流边界层无影响，本文的计算域高度取0.5m。边界条件设置如下：进口与上平面设为速度入口，出口为自由流出口，展向两个平面设为周期性边界条件。模型计算域示意图如图1所示。

图1 模型计算域示意图

1.2 工质的选取

本文的研究对象为天然气，采用FLUENT自带材料数据库中甲烷(CH4)进行数值模拟。甲烷的温度T为288.16K，密度ρ为0.667 9kg/m3，动力黏度μ为1.087×10-5Pa·s。

1.3 网格划分

采用结构体网格进行划分。流向网格均匀分布；法向近壁处的网格需加密处理，而且需要控制网格的数量，根据不同的进口速度确定第一层网格高度，设定无量纲壁面距离为1，且以1.1倍的网格尺寸增长率增长。进行了网格无关性验证。一个肋条的网格节点数见表1，光滑输气管道和V形肋条管道的局部网格如图2所示。

表1 一个肋条的网格节点数

(a) 光滑输气管道

(b) V形肋条输气管道图2 光滑输气管道和V形肋条输气管道的局部网格图

1.4 CFD设置

采用重整化RNG的增强壁面函数湍流模型进行数值模拟，可以得到较为准确的模拟结果。离散格式采用二阶迎风格式，具有一定的稳定性并具有较高的精度。流场的迭代求解方法为SIMPLEC算法，具有较快的收敛速度，其残差精度为10-6。

1.5 肋条的几何尺寸

选取具有最佳减阻效果的V形肋条，V形肋条的几何尺寸为：s=h=0.51 mm以及s=h=0.90 mm。

2 结果分析

2.1 光滑输气管道的数值模拟

2.1.1 平均阻力系数 选取流向1.5～1.7 m的位置作为研究对象，通过对光滑输气管道进行阻力监测，得到光滑输气管道的平均阻力系数。光滑输气管道平均阻力系数的理论值与模拟值的对比结果如图3所示。

图3 光滑输气管道平均阻力系数的理论值 与模拟值的对比结果

由图3可知，光滑输气管道平均阻力系数的理论值和模拟值的误差随着速度的增加而不断减小；在数值模拟范围内，速度为7.5 m/s时误差最大，为3.9%。通过光滑输气管道平均阻力系数的模拟值与理论值的对比，可确定模拟结果的可靠性。因此，可以采用相同的湍流模型对光滑输气管道与V形肋条输气管道进行数值模拟。

2.1.2 湍流边界层 为深入了解湍流边界层的内部结构，取流向位置为1.5 m处的切面进行湍流边界层速度-位置轮廓线的分析。在对数层，对速度-位置轮廓线进行拟合，得到的公式为：u+=klny++b。其中，k为斜率；b为截距。在不同的天然气进口速度下，对光滑输气管道的湍流边界层速度-位置轮廓线进行了拟合，拟合结果如图4所示。

图4 光滑输气管的湍流边界层速度-位置轮廓线拟合结果

由图4可知，在黏性子层，满足式(1)；在对数层，拟合直线函数为：u+=2.5lny++5.5，斜率的倒数与卡门常数相同。

2.1.3 流场分析 光滑输气管道中天然气的流动影响流场。因此，采用云图的方式对流场进行分析，以获得更多的流场细节。以天然气的进口速度u=7.5 m/s为研究基准，从切应力及近壁面局部湍动能两方面进行分析。光滑输气管道切应力及近壁面局部湍动能云图如图5所示。

(a) 切应力 (b) 近壁局部湍动能

图5 光滑输气管道的切应力及近壁局部湍动能云图

由图5(a)可知，光滑输气管道在展向位置的切应力是均匀分布的，由于入口段受天然气进口速度的影响，切应力较大；随着流向距离的增大，切应力逐渐减小。考虑入口因素，选取流向位置等于1.5 m处的切平面进行近壁局部湍动能的分析。

由图5(b)可知，光滑输气管道近壁局部湍动能沿着法向是变化的，而在展向是均匀分布的；其近壁局部湍动能随着法向距离的增大而逐渐增大。

2.2 V形肋条输气管道的数值模拟

2.2.1 V形肋条的减阻率 通过数值模拟，得到了V形肋条在流向1.5～1.7 m的阻力系数，并与光滑输气管道在相同位置的模拟值进行对比，得到了V形肋条在输气管道中的减阻率。不同的天然气进口速度下不同几何尺寸V形肋条的减阻率见表2。

表2 不同的天然气进口速度下不同几何尺寸V形肋条的减阻率

由表2可知，当s=h=0.51 mm时，不同的天然气进口速度下减阻率较为相近，其值为3.3%～4.3%，且在天然气进口速度为15.0 m/s处的减阻率最大；当s=h=0.90 mm时，不同的天然气进口速度下减阻率在4.5%～6.5%，在速度为7.5 m/s处减阻率达到最大，整体的减阻效果好于s=h=0.51 mm的V形肋条。

流向1.5～1.7 m处光滑输气管道及V形肋条输气管道的平均阻力系数对比如图6所示。

图6 光滑输气管道与V形肋条输气管道的平均阻力系数对比

由图6可知，光滑输气管的平均阻力系数远大于V形肋条输气管道；s=h=0.51 mm的V形肋条的平均阻力系数比s=h=0.90 mm的V形肋条大，两种尺寸的V形肋条的平均阻力系数均随着速度的增加而减小。因此，可直观地得到s=h=0.90 mm的V形肋条具有更好的减阻效果。

2.2.2 V形肋条的湍流边界层 V形肋条对湍流边界层的影响主要体现在速度-位置轮廓线上。因此，对其进行研究可以更深入地了解湍流边界层的分层结构。取与光滑输气管道相同流向位置处的切平面进行分析，切应力为平均切应力，采用同样的方式进行拟合，拟合结果如图7所示。

(a) s=h=0.51 mm

(b) s=h=0.90 mm图7 不同尺寸V形肋条输气管道的湍流 边界层速度-位置轮廓线拟合结果

对比图7(a)与图7(b)可知，两种尺寸的肋条在对数层的速度-位置轮廓线的斜率相近，其斜率的倒数与卡门常数不同，斜率随速度的增大而增大，截距随速度的增大而减小；在对数层，s=h=0.90 mm的V形肋条速度-位置轮廓线的斜率比s=h=0.51 mm的V形肋条大，但截距则相反。对图7与图4进行比较可知，两种肋条的湍流边界层的速度-位置轮廓曲线均与光滑输气管道不同。

2.2.3 V形肋条的流场分析 流体在V形肋条输气管道的流动对流场产生影响，通过对切应力以及近壁面局部湍动能云图进行分析，可以获得更多的流场细节。为方便对比，采用与光滑输气管道相同的天然气进口速度进行分析。取流向位置等于1.5 m处的切平面进行近壁局部湍动能云图的分析。

(1)切应力云图。不同几何尺寸V形肋条输气管道的切应力云图如图8所示。由图8可知，V形肋条输气管道的切应力是非均匀分布的，在肋条底部切应力较小，在肋条顶部切应力较大；在计算域入口位置受天然气进口速度的影响，切应力较大；对比两种不同几何尺寸的肋条可知，在肋顶处，s=h=0.90 mm的V形肋条输气管道的切应力比s=h=0.51 mm的V形肋条的切应力大。

图8 不同几何尺寸的V形肋条输气管道的切应力云图

(2)近壁面局部湍动能云图。不同几何尺寸V形肋条输气管道的近壁局部湍动能云图如图9所示。由图9可知，V形肋条的近壁局部湍动能在肋底较小，而靠近肋顶部分的近壁面较大；对比两个不同几何尺寸的V形肋条，在肋顶的近壁区域，s=h=0.51mm的V形肋条比s=h=0.90 mm的V形肋条具有更多的大湍动能区域。

图9 不同几何尺寸的V形肋条输气管道 的近壁局部湍动能云图

3 结 论

(1)在对数层，V形肋条输气管道的湍流边界层速度-位置轮廓线拟合曲线的斜率和截距与光滑输气管道速度-位置轮廓线不同。

(2)V形肋条输气管道具有可观的减阻效果，s=h=0.90 mm的V形肋条输气管道的减阻效果比s=h=0.51 mm的V形肋条输气管道好。在输气管道表面增加肋条可以减少天然气与管壁之间的摩擦，从而减小能量损失。研究结果可为输气管道仿生非光滑表面减阻技术的应用提供理论参考。

(3)在相同的天然气进口速度下，V形肋条肋顶的切应力大于肋底的切应力，且肋底的近壁局部湍动能较小。

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(编辑 宋锦玉)

The Application of Bionic Riblets on Drag Reduction in Gas Transmission Pipeline

Yu Yang， Liu Dejun

(CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China)

In recent years, with the increasing demand for natural gas, more and more attention was paid to the transmission efficiency of gas transmission pipeline. Because the main loss of gas pipeline was the friction resistance, therefore reducing the resistance became the focus of the study. To explore the V-shaped riblets in transmission gas pipeline of drag reduction application, FLUENT was used to simulate two different geometric size of V-shaped riblets. The pipeline drag reduction of bionic riblets could approximate switch into flat gas transmission for numerical simulation. The results of the study showed that: compared with the smooth gas transmission pipeline, V-shaped riblet gas transmission pipeline of the turbulent boundary layer of velocity profile in the logarithmic layer was different; in the same gas velocity inlet, V-shaped riblet at the top of the shear stress was greater than the bottom of the riblet, also riblet on the bottom of the near wall local turbulent kinetic energy was small; the riblet height and spacing size of both 0.90 mm V-shaped riblet pipeline had more drag reduction effect than the size of both 0.51 mm V-shaped riblet pipeline.

Gas transmission pipeline； Bionic riblet of drag reduction； Numerical simulation； Turbulent boundary layer； Friction resistance

1672-6952(2017)04-0023-06

2016-08-27

2016-10-12

于洋(1991-)，女，硕士研究生，从事管道减阻方面的研究；E-mail：15141312452@163.com。

刘德俊(1967-)，男，硕士，副教授，从事管道输送技术方面的研究；E-mail：ldj8448@163.com。

TE08

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.006

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn