壁面微沟槽对输油管道阻力特性影响的数值研究*

李恩田 袁康 刘洋 樊刘通 吕晓方

常州大学石油工程学院

随着社会对油气能源需求量的不断增加，如何有效利用能源成为了国内外专家的研究重点。在原油输送过程中，由于受到管道内壁摩擦力的影响，不可避免地造成管道能量浪费，因此，降低原油输送过程中的摩擦力对于节约能源具有一定的意义[1-2]。另一方面，在管道内壁摩擦力的作用下，原油的输送效率也会下降，为了提高原油的输送效率，对降低摩擦阻力的措施进行深入研究也十分重要。在管道内壁中设置仿生沟槽是降低原油管道摩擦阻力的有效措施之一。

近年来，国内外专家对降低原油管道摩擦阻力的仿生沟槽进行了深入研究，取得了一定的研究成果。LEE和WALSH等人[3-4]对鲨鱼皮盾鳞的仿生结构进行了深入研究，并从流体力学的角度出发，对该种结构的减阻原理进行了深入解释，但是研究成果中并没有对鲨鱼皮盾鳞结构尺寸的影响进行分析；BECHERT[5]等人采用实验的方式对各种形状沟槽的减阻效果进行了分析，研究成果表明，定角为60°的三角形沟槽的减阻效果最佳，但是研究成果中并没有对三角形沟槽的尺寸、三角形沟槽槽底及尖端的流体流动状态进行深入分析；DJENIDI[6]等人使用LDA技术对三角形沟槽的减阻效果进行了深入分析，研究结果表明三角形沟槽之间的距离也会对减阻效果产生影响，但是研究成果也没有对沟槽槽底及尖端的流体流动状态进行深入分析；国内学者攸连庆[7]采用数值模拟的方法对三角形沟槽的减阻效果进行了分析，研究结果表明，当三角形沟槽的顶角角度达到60°时，原油的减阻率可以达到11%，但是研究成果中没有对三角形沟槽的尺寸和沟槽槽底及尖端的流体流动状态进行深入分析。通过以上分析可以发现，在目前的研究成果中，三角形沟槽的研究仍然存在一定的缺陷。

针对目前研究成果中存在的问题，本次研究将采用FLUENT软件，对2种尺寸的三角形沟槽进行减阻效果分析和优选，对优选出的三角形沟槽槽底和尖端的流场状态进行分析，并与光滑管内的原油流场进行对比，深入解释三角形沟槽减阻的基本机理，为沟槽减阻技术的进一步研究奠定基础。

1 数值模拟参数设定

1.1 计算域及网格划分

建立长度为2 km的管道结构，以此保证管道内的湍流结构可以得到充分的发展，管道的直径为273 mm，假设管道进口位置作为原油的入口，管道出口作为原油自由流动的出口，管道的壁面选用无滑移壁面。在网格划分方面，本次模拟过程的计算域网格和切平面的网格结构如图1所示。在管道轴向上，网格结构是均匀分布的，在径向上，靠近管道壁面的位置对网格进行加密处理，最后对网格结构进行无关性验证。

1.2 边界条件设定

原油管道属于轴对称结构，在进行研究时，可以将四分之一的管道结构作为研究对象。假设选择四分之一的管道作为研究对象，则该结构模型将会存在2个展开平面，同时，在使用FLUENT软件时，该软件将提供2种边界条件，分别是将边界设置为对称边界和将边界设置为旋转式的周期性边界，第1种边界条件的应用范围相对较广，因此在本次研究中选用对称边界[8]。

图1 计算域网格结构及切平面网格结构图Fig.1 Computational domain grid structure and tangent plane grid structure

1.3 管道介质选取

本次研究的对象为原油，但是FLUENT软件中并没有提供原油这种材料，因此需要人为定义。将原油的类型定义为fluid，密度定义为820 kg/m3，比热容定义为2 100 J/(kg·K)，导热系数定义为0.2 W/(m·K)；黏度定义为0.85 kg/(m·s)。

1.4 三角形沟槽几何尺寸

对于输油管道而言，对称结构的三角形沟槽较为适用，常见的三角形沟槽尺寸有2种，分别是h=s=0.3 mm和h=s=0.15 mm，其中， h为三角形沟槽的高，s为三角形沟槽的宽。因此，首先对这2种尺寸的三角形沟槽进行对比，优选出最佳沟槽尺寸，并对其进行流场分析[9]。

1.5 模拟参数及流动参数设置

在进行数值模拟的过程中，需要在FLUENT中选择湍流模型，本次研究使用了重整化群湍流模型的管道增强壁面函数进行模拟，目前的研究成果已经表明，应用该种模型可以取得较好的结果。在算法选择时，使用了二阶迎风算法，这种算法不但具有很强的稳定性，而且还具有一定的模拟精度[10]。在对流场进行求解的过程中，使用了SIMPLEC算法，这种算法的收敛速度相对较快，而且完全适用于不可压缩流体，计算残差为10-6。

1.6 数据收集及分析

在进行实际模拟的过程中，由于整个过程具有一定的瞬时性以及时均性，因此，在计算过程中需要等到数据收敛，即管道进入完全的湍流状态才可以收集数据。判断数据是否收敛的方法较多，由于对计算的残差进行监控并不能完全体现出数据收敛，因此在本次研究中主要对流体参数进行监控，例如管道壁面剪切力等，待这部分数据达到平衡状态时，即可认为数据已经收敛，此时得到的数据较为合理[11]。

2 光滑输油管道数值模拟

2.1 摩擦系数及摩擦阻力分析

根据上文对模型及流场的设定，选择8种流速类型（管径为273 mm的管道，理论上流速介于1.1～1.8 m/s之间），对管道的摩擦阻力系数进行了计算模拟和对比，对比结果如表1所示。从表1可以看出，h=s=0.15 mm的三角形沟槽在流速为1.6 m/s时，沟槽管道与光滑壁面管道的阻力系数误差相对较小，仅为0.58%；h=s=0.3 mm的三角形沟槽在流速为1.3 m/s时，沟槽管道与光滑壁面管道的阻力系数误差相对较大，为6.01%。在正常流速下，2种三角形沟槽管道与光滑壁面管道之间的阻力系数误差都可以控制在7%以内，这证明了2种类型的三角形沟槽管道都具有良好的减阻效果。

表1 光滑管道与三角形沟槽管道摩擦阻力系数对比Tab.1 Comparison of friction coefficient between smooth pipe and triangular groove pipe

2.2 三角形沟槽减阻率分析

在进行减阻率分析的过程中，首先对2种类型三角形沟槽的管道整体阻力系数进行了计算，然后将其与光滑壁面管道的整体阻力系数进行对比并计算误差，以此获取2种类型沟槽结构的减阻率，计算结果如表2所示。从表2可以看出，2种类型的输油管道减阻沟槽在正常流速范围内都具有一定的减阻效果。其中，对于h=s=0.15 mm的三角形沟槽，在原油流速为1.6 m/s时，减阻率达到最大，值为7.8%；对于h=s=0.3 mm的三角形沟槽，在流速为1.4 m/s时，减阻率达到最大值4.3%。因此，对于常见的2种三角形沟槽尺寸，推荐使用h=s=0.15 mm的三角形沟槽。

表2 2种三角形沟槽管道减阻率对比结果Tab.2 Comparison of drag reduction ratio results for two kinds of triangular groove pipe

3 输油管道流场分析

当三角形沟槽的尺寸为h=s=0.15 mm，且流速为1.6 m/s时，减阻率达到最大值，因此，使用h=s=0.15 mm尺寸的三角形沟槽，设定流速为1.6 m/s进行流场分析，以便发现流场的差异。

3.1 流动速度分析

图2为在FLUENT软件中模拟的光滑输油管道、h=s=0.15 mm三角形沟槽输油管道沟槽尖端及谷底的平均流向速度分布图，图3为FLUENT软件中模拟的光滑输油管道、h=s=0.15 mm三角形沟槽输油管道沟槽尖端及谷底的截面流向速度云图。

图2 光滑输油管道、三角形沟槽输油管道沟槽尖端及谷底的平均流向速度分布图Fig.2 Average flow velocity distribution diagram of smooth oil pipeline，the groove tip of triangular groove oil pipeline and valley bottom

3.2 速度脉动分析

图4为光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道尖端和谷底沿管道 x、y、z方向的速度脉动均方根图，图5为光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道壁面位置处的速度脉动云图。

图3 光滑输油管道、三角形沟槽输油管道截面流向速度云图Fig.3 Flow velocity cloud map of the section of smooth oil pipeline and triangular groove oil pipeline

图4 光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道尖端和谷底沿管道x、y、z方向的速度脉动均方根图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

图5 光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道壁面位置的速度脉动云图Fig.5 Velocity pulsation cloud diagram at the wall surface of smooth wall oil pipeline and triangular groove pipeline

3.3 涡量分布分析

图6 为光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道的横截面涡量分布云图。从图6可以看出，光滑输油管道中，沿原油流向方向存在一对漩涡，原油在低速流动过程中，受这对漩涡的影响会产生湍流现象，从而使得输油能量被大量耗散。而三角形沟槽输油管道中存在着反向的一对漩涡，即速度方向相反的漩涡，这种漩涡会与尖端产生作用，从而在尖端位置产生了二次涡。

图7为二次涡的模拟图。从图7可以看出，二次涡的涡值与尖端外部位置处流体的涡值相反，即二次涡的旋转方向与尖端外部位置处漩涡的旋转方向相反，速度相反的涡流会相互作用，使得涡流的强度降低，进而抑制涡流的出现，达到减阻效果，同时也可以说明，二次涡的存在也是三角形沟槽具有减阻效果的主要原因。

3.4 雷诺剪切应力分析

图6 光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道的横截面涡量分布云图Fig.6 Cross-sectional vorticity distribution cloud diagram of smooth wall oil pipeline and triangular groove pipeline

图7 二次涡的模拟图Fig.7 Simulation diagram of secondary vortex

图8 雷诺应力分布云图Fig.8 Reynolds stress distribution cloud map

图8 为光滑壁面输油管道与三角形沟槽管道的雷诺应力分布云图。从图8可以看出，两者的雷诺应力都相对较小，但是，三角形沟槽输油管道的雷诺应力分布基本以蓝色为主，证明该种类型的输油管道的雷诺应力相对较小，这也证明了三角形沟槽输油管道具有明显的减阻效果。

4 结论

本研究中，首先对FLUENT软件中参数的设定进行了具体的描述，对常见2种尺寸的三角形沟槽进行了减阻分析，优选出最佳的三角形沟槽尺寸，然后进行光滑壁面输油管道与最佳尺寸三角形沟槽输油管道流场分析，以此确定了三角形沟槽具有减阻效果的原因。通过研究得出以下结论：

（1） h=s=0.15 mm的三角形沟槽和h=s=0.3 mm的三角形沟槽在正常原油流速状态下都具有明显的减阻效果，当三角形沟槽尺寸为h=s=0.15 mm、流速为1.6 m/s时，管道的减阻效果达到最大，最大减阻率可以达到7.8%。

（2）对尺寸为 h=s=0.15 mm、流速为1.6 m/s的三角形沟槽输油管道与光滑壁面输油管道进行流场分析发现，由于三角形沟槽位置处流动平稳、速度脉动相对较小、存在二次涡，以及雷诺应力相对较小，使得壁面位置处可以抑制湍流的出现，同时可以降低摩擦阻力，进而达到减阻效果。