摘 要

近年来，随着油气的需求量的不断增加，输油管道的输送效率问题受到了越来越多的关注。由于输油管道的运输损耗主要分为克服石油运输过程中产生的势能差和摩擦产生的能量损失，因此对输油管道的研究重点就是降低其摩擦阻力。而自从20世纪 60年代 NASA兰利研究中心的 Walsh等人，通过实验证明了顺流向的 V形沟槽面能够有效的降低表面摩擦阻力，微沟槽减阻的效能研究很快引起了关注。从20世纪60年代开始，传统的沟槽表面是具有一定规则形状和大小的微凸起或凹槽，按一定的顺序排列的可以改变边界层近壁区域的湍流相关结构，以达到减阻的目的。这些年来的工业应用的主要方向是沟槽面湍流的减阻技术，沟槽的尺度与几何形状、沟槽面排列方式、流场中的压力梯度等对于沟槽减阻的性能的影响，微沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响，微沟槽面的湍流减阻机理等几方面的研究进展进行了研究。

本文选择V型沟槽研究其在输油管道减阻中的作用，使用CAD软件建模，并利用FLUENT软件对V型沟槽进行数值模拟，以研究V型沟槽对输油管道减阻的作用。本文的第一章介绍了研讨的该课题的背景和意义、国内外目前研究状况以及研究的目的及意义；第二章对摩擦阻力等的计算与表达的理论基础和研究方法进行了分析；第三章对所选数据进行模型的建立和网格的划分；第四章在之前的基础上对研究对象进行数值模拟；第五章对全文进行总结并针对本次研究的不足之处提出了展望。

关键词：V型沟槽；FLUENT；数值模拟；输油管道；摩擦阻力；

Abstract

In recent years, with the increasing demand for oil and gas, the transportation efficiency of oil pipelines has received more and more attention. Because the transportation loss of oil pipelines is mainly divided into overcoming the potential energy difference and frictional energy loss during oil transportation, the research focus of oil pipelines is to reduce their frictional resistance. Since Walsh et al. in NASA Langley Research Center in the 1960s, it has been experimentally proved that the V-shaped groove surface in the forward flow can effectively reduce the surface frictional resistance, and the effectiveness of drag reduction with micro-grooves has quickly attracted attention. Starting from the 1960s, the traditional groove surface is a micro-protrusion or groove with a certain regular shape and size, and arranged in a certain order can change the turbulence-related structure of the near-wall region of the boundary layer to achieve drag reduction. purpose. The main direction of industrial applications over the years has been the drag reduction technology of turbulent flow in the trench surface, the effect of the dimensions and geometry of the trench, the arrangement of the trench surface, and the pressure gradient in the flow field on the drag reduction performance of the trench. The research progress on the influence of the groove surface on the flow characteristics of the turbulent boundary layer, the turbulent drag reduction mechanism of the microgroove surface, and other aspects are studied.

This paper selects V-grooves to study its role in drag reduction of oil pipelines, uses CAD software to model, and uses FLUENT software to numerically simulate V-grooves to study the effect of V-grooves on drag reduction of oil pipelines. The first chapter of this paper introduces the background and significance of the research topic, the current research status at home and abroad, and the purpose and significance of the research. The second chapter analyzes the theoretical basis and research methods of the incentive; the third chapter of the selected data The establishment of the model and the division of the grid; the fourth chapter on the basis of the previous numerical simulation of the research object; the fifth chapter summarizes the full text and put forward the outlook for the shortcomings of this study.

Key Words：V groove；FLUENT；Numerical Simulation；Oil pipeline；Frictional resistance

目录

第一章 绪论 7

1.1 研究背景与意义 7

1.1.1 研究的背景 7

1.1.2 研究目的及意义 7

1.2 微沟槽输油管道减阻国内外研究现状 8

1.3 主要研究内容与FLUENT介绍 9

1.3.1 FLUENT软件介绍 9

1.3.2主要研究内容 10

第2章 摩擦阻力影响计算基础 11

2.1 沿程阻力系数 11

2.2阻力特性研究 11

2.3 流体控制方程 12

2.4 数据处理方法 13

2.5 本章小结 14

第3章 建模、划分网格及运行FLUENT 14

3.1 V型微沟槽模型的建立与介绍 14

3.2 网格的划分和具体操作 15

3.3 确定边界条件 16

3.4 运行FLUENT进行后处理 17

3.5 本章小结 17

第4章 第四章 FLUENT模拟及结果分析 18

4.1 分析计算结果 18

4.2 本章小结 20

第五章 全文总结与研究展望 20

5.1 全文总结 20

5.2 研究展望 21

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

研究背景与意义

1.1.1 研究的背景

摩擦不仅是固体彼此相对运动时能量损失的主要原因，而且也是引起固体和液体界面之间相对运动能量损失的主要因素，为克服摩擦的影响全世界上大约1/2到1/3的能量被消耗。在管道运输中的一部分能量用于克服地形抬升所需的位能，另一部分则用于克服沿着管道流动时由摩擦产生的能量损失^【1】。因此，如何减少油气运输过程中的摩擦损失就成了提高管道的运输效率、有效的节约大量的能源之中最重要的一环。而对微沟槽减阻性能的研究能减少摩擦所带来损失，是研究输油管道减阻的重要部分。

从20世纪60年代开始，传统的沟槽表面是具有一定规则形状和大小的微凸起或凹槽，按一定的顺序排列的可以改变边界层近壁区域的湍流相关结构，以达到减阻的目的^【2】。这些年来的工业应用的主要方向是沟槽面湍流的减阻技术，沟槽的尺度与几何形状、沟槽面排列方式、流场中的压力梯度等对于沟槽减阻的性能的影响，微沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响，微沟槽面的湍流减阻机理等几方面的研究进展进行了研究。

并且由湍流拟序结构理论出发所提出:具有减阻效应的沟槽面不但能通过控制低速制条带间距来降低湍流“猝发”频率，而且在“猝发”后的高速“下扫”过程中因其几何结构使藏在槽内的安静流体避免或部分避免因高速“下扫”而“诱导”出较大速度剪切层，从而实现减阻。同时实验指出需要利用如PIV等图像处理手段等先进的实验技术并结合直接的数值模拟对湍流边界层的瞬时流场进行研究,才能得出微沟槽面湍流边界层的流动结构及其运动规律^【3】。

1.1.2 研究目的及意义

流动摩擦阻力存在于各种流动现象中,摩擦阻力在运输工具的总阻力中占有很大比例, 例如:常规的运输机和水上船只，其摩擦阻力约占总阻力的50%。对于水下运动的物体, 这个比例可达到 70%^【4】。而在长距离的管道输送中, 泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力。摩擦阻力的增加使管道运输的能耗加剧、效率下降,管道壁面磨损严重, 缩短管道使用寿命;还会使管道压力波动加剧, 幅值提高, 随机性增加,管线振颤加剧,降低管道流动稳定性 , 从而对管道运输系统的安全构成严重威胁。

根据仿边界层理论，设计不同的微沟槽输油管道，采用数值模拟方法分析微沟槽输油管道壁面减阻性能。研究V型、T型等各种微沟槽壁面对管道沿程阻力的影响；基于减阻性能较好的微沟槽壁面，探索不同微沟槽壁面对流体沿程阻力的影响；寻求一种沿程阻力系数最好的微沟槽输油管道壁面。为了研究微沟槽输油管道中V形沟槽的减阻效果，利用fluent仿真模拟技术，研究了光滑管道和V形沟槽对湍流边界层的平均速度、 壁面剪应力分布及阻力特性等的影响，得到了沟槽面和光滑管道局部阻力系数。整理并分析模拟结果，验证了数值模拟方法的可行性。结果表明，V形沟槽能增加粘性底层的厚度，减小壁面切应力，有减阻效果^【5】。因此，研究壁面减阻降耗具有重要意义。

微沟槽输油管道减阻国内外研究现状

1978年，由美国航空航天局Lanley研究中心所设计出连续分布2.54×10-2mm的微小凸状物的表面，并将其粘贴在飞机的机身上，使得该机身表面减阻达到了6%-8%。自此以后，微沟槽面的减阻效果就引起了世界范围内的极大关注，Bacher、Walsh、Wallace等学者均开始展开对微沟槽表面减阻特性的试验研究。20世纪 60年代 NASA兰利研究中心的 Walsh等人，通过实验证明了顺流向的 V形沟槽面能够有效的降低表面摩擦阻力，微沟槽减阻的效能研究很快引发了一股潮流^【6】。国外的Jimenez、Lazos、Bacher、宫武旗、Choi等相继展开了对此方面的试验研究，他们使用热线风速仪(HWA)和激光多普勒 (LDV)分别对V形沟槽表面的形状参数 (夹角、间距、高度)以及沟槽湍流边界层的湍动特性、 猝发特性、 频率以及条带结构进行了极有价值的研究^【7】。对于柔顺壁面减阻最初的实验研究是在1957年由Kramer完成的，他使用了人造海豚皮来进行柔顺壁的湍流减阻实验，实验结果最终得到了高达50%的减阻成果。但可惜的是，许多学者后来再次进行这一实验证实这一结论都以失败告终，于是人们对此实验结果并不是很相信，但是也有部分学者认为，后来许多研究者不能重复 Kramer的减阻结果的一个重要原因是由于柔顺壁的运动特性对其材料的机械属性非常的敏感。一直到1992年，学者Lucey 等人通过研究柔顺壁的转捩延迟作用，从理论上来证明了 Kramer所使用的柔顺壁具有充分的转捩延迟作用，从此之后Kramer的研究成果才为世人所接受，同时柔顺壁的转捩延迟作用也成为人们研究的焦点。 Cooper和 Carpanter研究了柔顺性转盘对边界层转捩的影响， 结果表明，柔顺壁能减弱第1类无粘性不稳定性，而对第 2 类粘性不稳定性则只有当壁的柔顺性增加到一定程度，才能起到减弱的作用^【8】。俄罗斯学者 Kulick和 Semonov研究证明，柔顺壁能有效的降低表面摩阻和流动噪声，降幅可达到 17%，这一成果刚刚发表不久，诺丁汉姆大学的 Choi就对其结果进行了一系列的验证实验，结果表明，其中一种柔顺壁在整个测试流速范围内，湍流减阻可达 7%，相应的柔顺壁下游的表面摩擦力下降 7%，壁压波动强度减弱 19%，从而证明了 Cooper推测的合理性。

国内关于条纹沟槽表面减阻的研究始于上个世纪末。王柯等人的实验结果表明，在回转体外表面加工符合一定条件的条纹沟槽具有明显的减阻效果, 在零攻角下减阻量约 8.3%。王晋军等人对 4 种不同尺寸的沟槽平板进行水槽实验，也说明了沟槽平板具有减阻特性 , 局部阻力减少高达 13% ～ 26%。宫武旗等人在雷诺数分别为 1.18 ×105 和 2.63 ×105 的情况下，测得沟槽壁面相对于光滑壁面减阻分别为 7.43%和 6.20%^【9】。杨弘炜等人提出了一种菱形网状的小圆坑点阵结构 , 水洞实验表明，这种结构应用于 NACA-16012翼型表面的减阻效果最高可达22%。从这些成果看, 虽然国内的研究受到起步晚、研究人员少、基础薄弱等因素的制约，但通过科学工作者的努力，还是在肋条减阻研究上取得了很大的进步，有些成果甚至与国际水平持平。随着计算机技术的发展，已有学者采用数值模拟方法开展沟槽减阻特性研究。国内的黄德斌等用数值模拟了2种沟槽面管道---V型沟槽和T型沟槽的湍流减阻性能，并与光滑管做对比，发现两者都具有减阻效果，其中 V形沟槽的减阻效果好于 T形沟槽；海军工程大学的刘志华等利用计算流体力学软件研究了V形沟槽尖峰形状对减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响^【10】，结果显示，沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好，最大减阻率可达6.6%。有效的研究了长输管道中V形沟槽的减阻效果。

之前人们一直热衷于其实验研究，以往对沟槽减阻的研究方法 主要采用风洞或者水洞实验,但其缺点是周期长、代价高、难以控 制。伴随着高速计算机的发展，各种数值计算方法的理论成熟，可以在较短时间内对多种设计模型进行数值计算，然后对实验结果进行比较分析。本文采用商业成熟流体分析软件FLUENT，采用有限体积法选择具有V型沟槽的输油管道表面进行数值模拟，在此基础上分析减阻效果的和流场特性的影响^【11】。

主要研究内容与FLUENT介绍

FLUENT软件介绍

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。FLUENT软件包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，可以模拟高超音速流场、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题^【12】。

1.3.2主要研究内容

本文主要的研究为V型沟槽输油管道减阻特性，使用的工具为建模工具CAD和具有先进的数值方法与强大的前后处理功能的FLUENT。研究方法为利用CAD完成对光滑的输油管道与V型沟槽输油管道的建模，再用FLUENT进行后处理从而研究出流体在不同的输油管道中在损失的能量差距并总结出规律^【13】。具体内容如下所述：

1. 第一章主要介绍了微沟槽输油管道研究的背景和意义、该领域的国内外研究现状以及本次研究的主要涉及内容。介绍所用专业软件，研究方式为分别从光滑的输油管道和不同角度的V型沟槽输油管道入手，研究其减阻效果。
2. 第二章解释了V型沟槽输油管道减阻效果的作用机理，介绍研究微沟槽输油管道的减阻特性所需要相关的理论知识（了解完成试验所需的各项数据和计算所需的公式）。并掌握计算分析过程。
3. 第三章详细讲述了沟槽尺寸等数据的选取、V型沟槽建模以及在已有模型上划分网格的过程。
4. 第四章是流场模拟结果及分析，是整个模拟试验的结论。主要讲述由FLUENT软件数值计算的结果，以及由此所得出的分析结论。
5. 第五章是对本次课题的研究内容做出总结，综合研究结论，并对研究期间开展的工作进总结，最后对未来微沟槽输油管道减阻技术的发展做出展望。

第2章 摩擦阻力影响计算基础

2.1 沿程阻力系数

管道的摩阻损失包括沿程摩阻损失和局部摩阻损失两部分，沿程摩阻损失是指流体通过直管段所产生的摩阻损失；局部摩阻损失是指流体通过各种阀件和管件时所产生的摩阻损失，也就是流体流经突变截面时流速的大小和方向均发生剧烈变化而引起的能量损失。对于长输管道摩擦损失主要是沿程摩阻，局部摩阻只占1%～2%^【14】。从流体力学角度分析，沿程摩擦阻力产生的本质是，流动过程中流体受管壁和自身黏性影响会产生摩擦损失，并会产生径向方向的速度分量，阻碍沿轴向方向的运动，从而造成不必要的能量损失。

本研究旨在通过FLUENT软件数值模拟输油管道的流动状况，并通过后处理得到数值模拟过程中管道的沿程阻力系数λ。这里需要用到2个公式，即流体力学中著名的伯努利方程和达西公式 ，分别如下所示:

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