《湘潭大学》 2018年
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异形随行波表面管道湍流减阻特性研究

张宏伟  
【摘要】:随着能源短缺的日益加剧,节能降耗成为国家所关注的重要问题。管道运输中需要克服壁面摩擦阻力做功,摩擦阻力做功占到全部管道运输消耗70%以上,管道运输作为石油天然气运输的主要手段对世界的能源消耗有重要影响。学者发现动植物的非光滑表面结构能够降低流体的摩擦阻力,通过对海豚、鲨鱼、荷叶表面的微结构分析,仿生出了一系列非光滑表面的减阻结构,这些结构与传统的光滑表面相比,表现出优越的减阻性能,非光滑表面减阻研究表现出巨大的研究前景。本文基于前人的理论研究背景,以气流推动水面波纹形成的异形结构为原型,通过简化抽象提取得到一种大宽深比的类摆线结构。借助三维CAD软件完成结构造型后,依据实际管道运输环境建立CFD数值模型,模拟结果与理论计算值进行对比,结果显示相对误差小于0.5%。依据实际工况,设定三种流速的仿真对比,对不同结构尺寸模型进行了仿真模拟。为了研究不同结构尺寸下的减阻效能,使用正交分析法进行分析。得到异形随行波单元尺寸因素对全阻力影响的主次顺序为深度、宽深比(宽度与深度之比)、偏心比(偏心距与宽度之比)。结合极差与方差分析可以得到,深度与宽深比对减阻效能都起到了决定性的作用,在流速15m/s的情况下,最佳减阻尺寸为深度0.4mm,宽深比20,偏心比0.25得到最佳减阻率为5.52%。探究异形随行波表面结构的减阻机理,通过流场分析发现与光滑表面相比,异形随行波表面的壁面边界层厚显著增大。在同等壁面高度下异形随行波表面速度要小于光滑表面,低速流体滞留在波谷形成缓冲层,降低近壁面的速度梯度,从而降低摩擦阻力达到减阻效果。考虑实际加工与使用情况,进一步探究异形随行波表面粗糙度对减阻效果的影响。对不同粗糙度大小的异形随行波表面与同等粗糙等级光滑表面进行对比,随着绝对粗糙度高度的增加,异形随行波表面与光滑表面的阻力均有所上升,但异形随行波表面的阻力增速低于光滑表面,减阻率有一定程度提高。在谷底位置设置不同形状凸起,探究积灰结垢对异形随行波表面减阻性能影响,得到谷底凸起引起的异形随行波表面改变会破坏原有结构的减阻特性,表面压差阻力与摩擦阻力均有所提升且高于光滑表面。本文设计的异形随行波表面在管道气体运输中压环境下,相比于光滑表面具有优良的减阻性能,且有较广泛的适用范围,具有一定的工程应用价值。
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TE973;O357.5

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