输气管道肋条减阻数值模拟

湍流阻力是长距离输气管道中能量损失的主要因素。为了研究V型肋条在输气管道中对阻力的影响,在雷诺数为74 880的条件下,采用CFD软件对光滑管道和内壁铺有尺寸不同的两种肋条的管道进行了数值模拟,并通过分析管道中的流场,涡量和壁面切应力的分布规律,找出两种尺寸肋条增阻和减阻的原因,得出肋条减阻的机理。结果表明,与光滑圆管相比,管道中的肋条尺寸s+=22(无量纲尺寸)时近壁区流体流速小,涡量小,壁面切应力增阻区面积小,切应力小,具有减阻效果;当管道中的肋条尺寸s+=44时,近壁区流体流速大,肋顶处涡量较大,壁面切应力增阻区面积大,切应力大,肋条具有增阻效果。     

输气管道肋条减阻数值模拟

湍流阻力是长距离输气管道中能量损失的主要因素。为了研究V型肋条在输气管道中对阻力的影响,在雷诺数为74 880的条件下,采用CFD软件对光滑管道和内壁铺有尺寸不同的两种肋条的管道进行了数值模拟,并通过分析管道中的流场,涡量和壁面切应力的分布规律,找出两种尺寸肋条增阻和减阻的原因,得出肋条减阻的机理。结果表明,与光滑圆管相比,管道中的肋条尺寸s+=22(无量纲尺寸)时近壁区流体流速小,涡量小,壁面切应力增阻区面积小,切应力小,具有减阻效果;当管道中的肋条尺寸s+=44时,近壁区流体流速大,肋顶处涡量较大,壁面切应力增阻区面积大,切应力大,肋条具有增阻效果。     

输气管内壁仿生减阻大涡模拟

流向的微小沟槽表面能有效降低壁面摩阻,降低输送能耗。针对内表面有三角形肋条的输气管道,采用大涡模拟对不同流动状态进行模拟,分析了流场速度矢量图、均方根速度剖面线和雷诺切应力。结果表明,肋条无量纲尺寸s＋＝20.7时肋条的减阻效果最好;湍流形成的涡经过肋条时被肋峰切开在肋条中形成小的反向小涡,将流体与壁面之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,降低摩擦阻力;光滑管壁、肋条的肋峰和谷底表面的速度剖面线只有在壁面附近差别较大,在远离壁面处趋于一致,肋条对流场的影响主要发生在近壁区。     

天然气管道肋条减阻数值分析

随着清洁能源的广泛应用,提高输气管道的输送效率成为热点问题,其中降低管输过程中的摩擦阻力至关重要。为探究三角形肋条在输气管道减阻中的应用效果,利用ANSYS?FLUENT软件对光滑管道和肋条管道中的湍流流动进行了数值模拟。结果表明,在近壁区域,肋条管道与光滑管道的速度剖面相差较大,主流区域相差较小,肋条结构的减阻效果主要基于近壁面;肋条结构将漩涡推离壁面,使肋底充满低速流体,降低近壁面处动量交换,减小摩擦阻力;与光滑壁面相比,尺寸为s＝h＝0.516 5 mm的肋条具有4.38%的减阻效果。     

仿生肋条减阻技术在输气管道中的应用

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。     

两种典型肋条形状大涡模拟

在长距离输气管道中最主要的能量损失形式是湍流阻力。为了研究肋条形状对湍流情况下流过肋条的流体介质的影响规律,采用CFD软件,在雷诺数为5 300的条件下,对间隔三角形肋条和刀刃形肋条两种典型肋条进行大涡模拟,通过分析壁面阻力和流场,得出减阻效果更好的肋条形状,并找出不同形状肋条影响流场的原因。结果表明,与间隔三角形肋条相比,刀刃形肋条受到的壁面阻力更小,近壁区速度梯度更小,产生的二次涡使流场更加稳定,具有更好的减阻效果。     

平板表面脊状结构对局部湍流特性的影响研究

利用Fluent软件,通过脊状平板表面数值模拟,分析黏性阻力、压差阻力、壁面切应力、湍流特性等在脊状平板表面中分布规律,基于能量耗散分析,为脊状结构尺寸选取和局部区域改造提供参考依据。结果表明:脊状尺寸越大越有利于黏性阻力减小,但会导致压差阻力增加,而脊状结构压差阻力主要由迎风面与间隔交接处附近高压区决定。高壁面剪切应力集中于相邻沟槽之间区域前段,且脊状结构越小,光滑表面大于脊状结构内壁面剪切应力的区域也相对越多。对脊状结构平板近壁区涡量与湍流特性分析发现,沟槽最底端部分流体是近乎静止的,脊状结构表面涡量与湍流强度均小于光滑表面,而在脊状结构沟槽内所形成的旋涡区域,能量耗散开始大于光滑表面。     

沟槽非光滑表面流场的数值分析

利用有限体积法对三角形仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算。近壁面区采用B-L两层模型,外区采用雷诺应力模型。分析了沟槽表面的流场特性,对计算域中心Z=3 mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究。顶点间距s+≈20,h+≈17.3的沟槽减阻率为5.2%;s+≈40,h+≈34.6的沟槽增阻率为12.3%。从速度场、剪应力及湍流统计三方面对沟槽表面减阻、增阻机理进行了分析讨论。与风洞和油槽实验数据定性对比的结果表明,理论计算与实验结果一致。     

驻留式微气泡阵列流动减阻机理数值研究

为了完善驻留式微气泡阵列减阻的机理理论,基于有限体积方法,采用大涡模拟（LES）方法对平板及驻留微气泡阵列近壁面复杂湍流流动开展数值模拟研究,采用本征正交分解法(POD)提取2种模型近壁区湍流拟序结构进行对比分析.结果表明：相较于平板,驻留微气泡阵列近壁面切应力变化更加平稳,减小了约13.7%;微气泡气/水界面的动态形变使边界层间歇性流动分离再附着,抑制低速流体上抛、高速流体下扫形成的“猝发”现象,湍流相干结构“猝发”频率减小5.6 Hz.利用POD方法,能够有效地提取近壁面复杂湍流拟序结构的主要分布特征,微气泡的存在加强了湍流近壁区内的小尺度结构,促进流场内湍流动能的均匀分布,抑制了拟序结构的发展,体现了驻留微气泡良好的减阻特性.     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

沟槽壁面湍流相干结构被动控制的热线测量

沟槽壁面减阻是船舶和管道输运中具有重要应用前景的减阻技术.应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的多尺度相干结构被动控制和减阻机理进行了实验测量研究.从壁湍流多尺度相干结构控制的角度分析了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.用热线风速仪和双平行丝梯度热线探针测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同法向位置的瞬时流向速度分量及其流向梯度的时间序列信号.用流向速度分量时间序列信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分茸及流向雷诺应力分量的相位平均波形.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的条件相位平均波形、流向湍流强度等统计特征.     

驻留式电解微气泡流动稳定性及减阻性能

针对航行体表面稳定高效水下减阻问题,提出自稳式电解微气泡阵列流动减阻性能试验研究。制备电极壁面微柱孔阵列表面试片经电解形成稳定微气泡阵列气膜,揭示电解电压、微柱孔尺寸、来流速度影响电解微气泡生长行为、驻留稳定性的作用机制,通过试验及数值方法研究微气泡阵列流动减阻性能,分析减阻机理。研究结果表明,电极壁面微柱孔可实现微气泡电解自适应启停控制;相同微柱孔直径时,电解电压增大则微气泡达到稳定直径用时越短,但微气泡阵列稳定时间及驻留率降低;相同电解电压下,250μm柱孔内微气泡达到稳定直径用时较少,且微气泡阵列稳定时间及驻留率更佳;气膜型驻留微气泡较突出型具备更强的驻留稳定性;250μm柱孔微气泡阵列气膜表面样片平均减阻率约为23%,微气泡阵列稳定时间及驻留率最大值分别为420s、95.46%（20V）;驻留微气泡形变及气/水两相界面力共同作用使得微气泡上侧产生大量上抛高速流动,抑制了流向涡下扫流动猝发,显著减小近壁区雷诺切应力;微气泡阵列近壁数值平均湍动能约为0.010 m2/s2小于纯平板（约为0.021 m2/s2）,微气泡阵列壁面数值平均剪切力约为30Pa小于纯平板（约为55Pa）,故可达到高效湍流减阻。     

基于剪切稀化模型的三通减阻数值模拟

为了研究添加表面活性剂在供热管道局部构件处的减阻效果,选取三通构件模型,利用计算流体力学软件模拟管内不同雷诺数下纯水和CTAC/NaSal溶液的流动。通过网格无关性、对比减阻规律验证了Carreau-Bird模型的可靠性,着重分析了减阻率、流速分布和湍动能的变化,并采用Ω准则和Q准则分析三通涡结构变化。结果表明：三通中添加CTAC溶液,减阻效果小于直管,但在较小雷诺数下就达到减阻率最大值;添加CTAC溶液改变了三通内流速分布,会使管内低速流动区域减小,而高速流动区域增大,出口段湍流流动层流化;降低了壁面附近的涡量,但增加了涡旋中心区的涡量。     

三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析

微米尺度的沟槽是临近空间飞艇大面积减阻的一种可行的减阻形式．以临近空间飞艇减阻为研究背景,通过采用k-ω SST湍流模式,对微米尺度的三角形沟槽进行了流场分析,得到了三角形沟槽壁面流的速度场和压力场． 通过计算不同尺寸三角形微沟槽的减阻率和沟槽内的流线形状,分析了微米尺度沟槽的减阻机理和不同沟槽尺寸对减阻能力的影响．研究表明,沟槽内的流线形状对沟槽的减阻能力有重要影响,尺寸合适的沟槽可以减小流体和壁面之间的切应力,减小流动阻力,对临近空间飞艇的蒙皮设计和减阻研究提供了一定参考．     

圆管内高聚物湍流减阻流动特性研究

高聚物湍流减阻可降低传输过程中的流动阻力和能耗,研究其减阻特性具有工程应用价值。文章采用等效黏度模型和湍流模型,利用计算流体力学方法建立三维模型,结合减阻参数,模拟了流动速度和高聚物浓度等影响高聚物减阻的主要因素,分析了管道内湍流减阻的流动特性及减阻规律。结果表明：圆管管道内高聚物湍流减阻率随减阻参数的增大而增大,其最大减阻率约在50%处,而后减阻效果降低,且管道内流速越大,减阻效果越好;管道中雷诺应力分量、湍动能、涡黏系数、湍流涡耗散随减阻参数的增加逐渐降低,当减阻参数为28时,高聚物湍流减阻效果最好。     

翼片诱导纵向涡强化层流对流传热数值模拟

利用三维数值模拟,分析了圆管内添加翼片后流体的流动结构和对流传热特性。模拟中,翼片与壁面呈45°倾斜放置,选取包含1个翼片的1／6通道进行研究。结果表明,翼片可在下游诱导产生2个旋转方向相反的纵向涡,形成对称的涡偶,涡偶外侧为背壁流,内侧为向壁流。纵向涡结构提高了流体在径向上的速度波动,在翼片下游靠近管壁处,最大速度可达到主流平均速度的80％,增强了对速度边界层的扰动。流场的改善使通道内的温度场分布更加均匀,与光滑通道相比,壁面附近的温度梯度可提高接近1个数量级。流体对壁面的冲刷作用使对流传热得到强化,相对于光滑通道,壁面局部Nu数可提高近50倍。纵向涡对通道内流体的强化传热作用随Re的增加而显著提高。     

河流穿越高压输气管道悬空长度的动态演变过程及临界状态的数值方法研究

针对河流对穿越高压输气管道支撑边界的冲刷导致悬空长度变化的动态演变过程,利用ANSYSMultiphys-ics软件建立河床一管道一水流3维有限元整体模型。运用顺序耦合法实现了穿越高压输气管道由于水流冲刷引起悬空长度不断变化条件下流体与固体结构间双向耦合的动力学仿真。针对西气东输的实际高压输气管道,获得了在不同悬空长度和水流速度下管道的动态应力应变场及热点应力,基于强度准则确定了不同壁厚管道在不同流速下的临界悬空长度。提出的河流穿越高压输气管道悬空长度的动态演变过程及临界状态的数值方法,可为河流穿越输气管道的安全监测及风险评价提供理论支撑。     

挟沙水流的混掺长度初探

本文将挟沙水流近壁区视为由浓度梯度造成的层结流体，与大气边界层非中性平衡条件下温度梯度造成的层结流体相比拟．引入大气边界层的混掺长度作为挟沙水流近壁区的混掺长度．进而在从总切应力平衡式导出的流速梯度基础上，推导出挟沙水流沿整个水深的混掺长度公式，水槽资料证明了该公式的正确性以及挟沙水流近壁区与大气边界层的相似性．     

壁湍流周期性吹吸减阻的实验研究

为了研究局部周期性吹吸小扰动对湍流边界层的影响和湍流相干结构减阻控制机理,用实验方法研究了局部周期性吹吸小扰动与湍流边界层的相互作用.采用热线测速技术精细测量了施加吹扰动前后平板湍流边界层不同法向位置的流向、法向和展向速度分量的时间序列信号;通过测量扰动源下游近壁区域平均速度剖面的变化,发现在扰动下游一定空间范围内,粘性底层增厚和壁面减阻;通过对湍流度变化的分析,发现扰动影响猝发的发生;此外通过对展向平均涡量变化的分析发现,在扰动下游形成了2个定常的、强度相似的、大尺度的展向涡,它们起到流体滚动轴承的作用,减小了壁面摩擦阻力.     

凹槽内剪切流动特性对滑动减阻的影响

为了揭示凹槽内部剪切流动特性对滑动减阻效果的影响,利用静、动滑动摩擦因数测试系统和计算流体力学方法,理论、实验和数值模拟研究了凹槽高宽比(e=0.5、1.0、2.0、3.0)、凹槽几何尺寸、壁面运动速度等因素,对凹槽内的剪切流动特性及壁面滑动减阻效果的影响.研究发现,凹槽结构增加了润滑油滑动减阻效果,凹槽几何结构对减阻效果有明显影响,当凹槽宽度L、深度H均为2 mm时,凹槽的减阻效果相对较好,且壁面运动速度对其剪切力减小率fτ的影响较小.此外,凹槽尺寸、壁面滑动速度对凹槽内流场特性有重要影响,不同工况下凹槽内部存在上下2个涡或者1个大涡和2个边角涡.结果表明:凹槽内的剪切流动特性对滑动减阻效果有重要影响,并可为滑块表面凹槽结构设计提供重要的指导.