壁面微溝槽對(duì)輸油管道阻力特性影響的數(shù)值研究*

李恩田 袁康 劉洋 樊劉通 呂曉方

常州大學(xué)石油工程學(xué)院

隨著社會(huì)對(duì)油氣能源需求量的不斷增加，如何有效利用能源成為了國(guó)內(nèi)外專家的研究重點(diǎn)。在原油輸送過程中，由于受到管道內(nèi)壁摩擦力的影響，不可避免地造成管道能量浪費(fèi)，因此，降低原油輸送過程中的摩擦力對(duì)于節(jié)約能源具有一定的意義[1-2]。另一方面，在管道內(nèi)壁摩擦力的作用下，原油的輸送效率也會(huì)下降，為了提高原油的輸送效率，對(duì)降低摩擦阻力的措施進(jìn)行深入研究也十分重要。在管道內(nèi)壁中設(shè)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(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)降低原油管道摩擦阻力的仿生溝槽進(jìn)行了深入研究，取得了一定的研究成果。LEE和WALSH等人[3-4]對(duì)鯊魚皮盾鱗的仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，并從流體力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)該種結(jié)構(gòu)的減阻原理進(jìn)行了深入解釋，但是研究成果中并沒有對(duì)鯊魚皮盾鱗結(jié)構(gòu)尺寸的影響進(jìn)行分析；BECHERT[5]等人采用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)各種形狀溝槽的減阻效果進(jìn)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(duì)三角形溝槽的尺寸、三角形溝槽槽底及尖端的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入分析；DJENIDI[6]等人使用LDA技術(shù)對(duì)三角形溝槽的減阻效果進(jìn)行了深入分析，研究結(jié)果表明三角形溝槽之間的距離也會(huì)對(duì)減阻效果產(chǎn)生影響，但是研究成果也沒有對(duì)溝槽槽底及尖端的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入分析；國(guó)內(nèi)學(xué)者攸連慶[7]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)三角形溝槽的減阻效果進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，當(dāng)三角形溝槽的頂角角度達(dá)到60°時(shí)，原油的減阻率可以達(dá)到11%，但是研究成果中沒有對(duì)三角形溝槽的尺寸和溝槽槽底及尖端的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行深入分析。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，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(duì)目前研究成果中存在的問題，本次研究將采用FLUENT軟件，對(duì)2種尺寸的三角形溝槽進(jìn)行減阻效果分析和優(yōu)選，對(duì)優(yōu)選出的三角形溝槽槽底和尖端的流場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析，并與光滑管內(nèi)的原油流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，深入解釋三角形溝槽減阻的基本機(jī)理，為溝槽減阻技術(shù)的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

1.1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

建立長(zhǎng)度為2 km的管道結(jié)構(gòu)，以此保證管道內(nèi)的湍流結(jié)構(gòu)可以得到充分的發(fā)展，管道的直徑為273 mm，假設(shè)管道進(jìn)口位置作為原油的入口，管道出口作為原油自由流動(dòng)的出口，管道的壁面選用無(wú)滑移壁面。在網(wǎng)格劃分方面，本次模擬過程的計(jì)算域網(wǎng)格和切平面的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1所示。在管道軸向上，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是均勻分布的，在徑向上，靠近管道壁面的位置對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最后對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。

1.2 邊界條件設(shè)定

原油管道屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行研究時(shí)，可以將四分之一的管道結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。假設(shè)選擇四分之一的管道作為研究對(duì)象，則該結(jié)構(gòu)模型將會(huì)存在2個(gè)展開平面，同時(shí)，在使用FLUENT軟件時(shí)，該軟件將提供2種邊界條件，分別是將邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界和將邊界設(shè)置為旋轉(zhuǎn)式的周期性邊界，第1種邊界條件的應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，因此在本次研究中選用對(duì)稱邊界[8]。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及切平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Computational domain grid structure and tangent plane grid structure

1.3 管道介質(zhì)選取

本次研究的對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)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(duì)于輸油管道而言，對(duì)稱結(jié)構(gòu)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(duì)這2種尺寸的三角形溝槽進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選出最佳溝槽尺寸，并對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析[9]。

1.5 模擬參數(shù)及流動(dòng)參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行數(shù)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(qiáng)壁面函數(shù)進(jìn)行模擬，目前的研究成果已經(jīng)表明，應(yīng)用該種模型可以取得較好的結(jié)果。在算法選擇時(shí)，使用了二階迎風(fēng)算法，這種算法不但具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且還具有一定的模擬精度[10]。在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解的過程中，使用了SIMPLEC算法，這種算法的收斂速度相對(duì)較快，而且完全適用于不可壓縮流體，計(jì)算殘差為10-6。

1.6 數(shù)據(jù)收集及分析

在進(jìn)行實(shí)際模擬的過程中，由于整個(gè)過程具有一定的瞬時(shí)性以及時(shí)均性，因此，在計(jì)算過程中需要等到數(shù)據(jù)收斂，即管道進(jìn)入完全的湍流狀態(tài)才可以收集數(shù)據(jù)。判斷數(shù)據(jù)是否收斂的方法較多，由于對(duì)計(jì)算的殘差進(jìn)行監(jiān)控并不能完全體現(xiàn)出數(shù)據(jù)收斂，因此在本次研究中主要對(duì)流體參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，例如管道壁面剪切力等，待這部分?jǐn)?shù)據(jù)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，即可認(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)收斂，此時(shí)得到的數(shù)據(jù)較為合理[11]。

2 光滑輸油管道數(shù)值模擬

2.1 摩擦系數(shù)及摩擦阻力分析

根據(jù)上文對(duì)模型及流場(chǎng)的設(shè)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(duì)管道的摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算模擬和對(duì)比，對(duì)比結(jié)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(shí)，溝槽管道與光滑壁面管道的阻力系數(shù)誤差相對(duì)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(shí)，溝槽管道與光滑壁面管道的阻力系數(shù)誤差相對(duì)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(shù)誤差都可以控制在7%以內(nèi)，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(shù)對(duì)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(jìn)行減阻率分析的過程中，首先對(duì)2種類型三角形溝槽的管道整體阻力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，然后將其與光滑壁面管道的整體阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算誤差，以此獲取2種類型溝槽結(jié)構(gòu)的減阻率，計(jì)算結(jié)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(nèi)都具有一定的減阻效果。其中，對(duì)于h=s=0.15 mm的三角形溝槽，在原油流速為1.6 m/s時(shí)，減阻率達(dá)到最大，值為7.8%；對(duì)于h=s=0.3 mm的三角形溝槽，在流速為1.4 m/s時(shí)，減阻率達(dá)到最大值4.3%。因此，對(duì)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(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison of drag reduction ratio results for two kinds of triangular groove pipe

3 輸油管道流場(chǎng)分析

當(dāng)三角形溝槽的尺寸為h=s=0.15 mm，且流速為1.6 m/s時(shí)，減阻率達(dá)到最大值，因此，使用h=s=0.15 mm尺寸的三角形溝槽，設(shè)定流速為1.6 m/s進(jìn)行流場(chǎng)分析，以便發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)的差異。

3.1 流動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)漩渦，原油在低速流動(dòng)過程中，受這對(duì)漩渦的影響會(huì)產(chǎn)生湍流現(xiàn)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(duì)漩渦，即速度方向相反的漩渦，這種漩渦會(huì)與尖端產(chǎn)生作用，從而在尖端位置產(chǎn)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(zhuǎn)方向與尖端外部位置處漩渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，速度相反的渦流會(huì)相互作用，使得渦流的強(qiáng)度降低，進(jìn)而抑制渦流的出現(xiàn)，達(dá)到減阻效果，同時(shí)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布云圖。從圖8可以看出，兩者的雷諾應(yīng)力都相對(duì)較小，但是，三角形溝槽輸油管道的雷諾應(yīng)力分布基本以藍(lán)色為主，證明該種類型的輸油管道的雷諾應(yīng)力相對(duì)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(jié)論

本研究中，首先對(duì)FLUENT軟件中參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行了具體的描述，對(duì)常見2種尺寸的三角形溝槽進(jìn)行了減阻分析，優(yōu)選出最佳的三角形溝槽尺寸，然后進(jìn)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(chǎng)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(jié)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(tài)下都具有明顯的減阻效果，當(dāng)三角形溝槽尺寸為h=s=0.15 mm、流速為1.6 m/s時(shí)，管道的減阻效果達(dá)到最大，最大減阻率可以達(dá)到7.8%。

（2）對(duì)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(jìn)行流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，由于三角形溝槽位置處流動(dòng)平穩(wěn)、速度脈動(dòng)相對(duì)較小、存在二次渦，以及雷諾應(yīng)力相對(duì)較小，使得壁面位置處可以抑制湍流的出現(xiàn)，同時(shí)可以降低摩擦阻力，進(jìn)而達(dá)到減阻效果。