摘 要

油品在输油管道中运输的时候会产生大量的沿程阻力损失，采取措施减小摩擦阻力，对经济和能源的节约，以及管道和管输设备的稳定运行具有重要的意义。

近些年来，作为一种高效节能减阻技术的湍流边界层减阻得到了广泛的重视和研究。本文中通过将沟槽减阻技术与几种常用的输油管道减阻技术进行对比，总结了其减阻效果优秀，使用寿命长，并且不易受到周围环境和外界的影响等优点。

沟槽面的湍流减阻技术一直是计算流体力学的一个重要研究内容，本文简要介绍了目前普遍认同的两种沟槽减阻机理，即“第二涡群”论和“突出高度”论。通过使用计算流体力学软件FLUENT，首先对尖角为60˚，75˚，90˚，105˚的顺流向对称V型沟槽进行建模，确定划分网格原则和边界条件，采用RNG k-ε湍流模型计算沟槽表面和光滑表面的减阻特性，找出其中具有最优减阻效果的沟槽尖角，通过对其剪切应力云图、速度分布云图等分析验证了“第二涡群”论和“突出高度”论的合理性。之后通过改变流速的方法分析不同雷诺数下V型沟槽的减阻效果，找到了其中最佳减阻效果的是75˚沟槽，在雷诺数为105000时减阻率达到8.64%。综合分析几种沟槽在不同无量纲尺寸下的减阻率，得出在无量纲尺寸s =22左右时减阻效果最佳的结论。

关键词：微型沟槽，减阻，数值计算，输油管道

ABSTRACT

Oil in the pipeline when the transport will produce a large number of resistance loss along the way to take measures to reduce the friction resistance, economic and energy conservation, as well as the pipeline and pipeline equipment, stable operation is of great significance.

In recent years, as a highly efficient energy-saving drag reduction technology turbulence boundary layer drag has been widely attention and research. In this paper, the trench drag reduction technology and several commonly used oil pipeline drag reduction technology comparison, summed up its excellent drag reduction effect, long life, and is not susceptible to the surrounding environment and the outside world and other advantages.

The turbulence drag reduction technique of grooved surface has always been an important research content of computational fluid dynamics. This paper briefly introduces two kinds of groove drag reduction mechanism, namely "second vortex group" theory and "prominent height" theory. By using the computational fluid dynamics software FLUENT, the symmetrical V-shaped grooves at 60 °, 75 °, 90 °, and 105 ° were first modeled to determine the mesh and boundary conditions. The RNG k-ε The turbulence model is used to calculate the drag reduction characteristics of the grooved surface and the smooth surface, and the taper angle with the best drag reduction effect is found. The second vortex group is verified by analyzing the shear stress cloud and velocity distribution. On the Rationality of "Highlighting" Theory. Then, the drag reduction effect of V-shaped groove under different Reynolds numbers was analyzed by changing the flow rate. The best reduction effect was found in the 75˚ groove, and the drag reduction rate reached 8.64% when the Reynolds number was 105000. Based on the analysis of the drag reduction rate of several trenches in different dimensionless dimensions, the conclusion is drawn that the drag reduction effect is the best when the dimensionless s = 22 is obtained.

Key word：Micro - groove, drag reduction, numerical calculation, oil pipeline

目 录

第一章 绪论 1

1.1 论文研究的背景和意义 1

1.2 常见的输油管道减阻技术及其原理 1

1.2.1 减阻剂减阻 2

1.2.2 壁面添加物质减阻 2

1.2.3 油品加热减阻 2

1.2.4 表面修正法减阻 3

1.3 国内外沟槽减阻技术的研究进展及现状 3

1.4 论文主要工作 6

第二章 数值模拟软件fluent的介绍与应用 8

2.1 计算流体力学软件FLUENT简介 8

2.2 FLUENT中数值模拟算法 8

2.3 远流模型选取 8

2.4离散化概述 9

2.5 FLUENT中流体流动的基本控制方程 10

2.5.1 质量守恒方程 10

2.5.2 动量守恒方程 10

2.5.3 能量守恒方程 10

2.6 本章小结 11

第三章 沟槽表面湍流边界层减阻的数值模拟 12

3.1 光滑表面数值模拟的检验 12

3.1.1 建立光滑表面模型 12

3.1.2 结果分析 13

3.2 不同尺寸V型沟槽表面的数值模拟 14

3.2.1 沟槽的放置方式 14

3.2.2 沟槽几何尺寸的确定 15

3.2.3 计算域的设计 16

3.2.4 网格的划分 17

3.2.5 湍流模型的选取和边界条件的设定 18

3.2.6 不同尺寸V型沟槽的数值模拟 19

3.3 速度场分析 19

3.4 湍动能分析 21

3.5 涡量分析 22

3.6 剪切应力分析 22

3.7 本章小结 23

第四章 V型沟槽减阻率与无量纲尺寸的关系 24

4.1 不同尖角的V型沟槽的变雷诺数模拟 24

4.2 本章小结 27

总结 28

参考文献 29

致谢 30

第一章 绪论

1.1论文研究的背景和意义

随着石油工业的发展，人们对原油和成品油的管道输量需求越来越大，所以对输油管道的建设也越来越多，就我国目前来说油气管道里程仅为12万公里，占世界总量不足3%，虽然输油干线已基本成型，但是在石油管道密度上远不及美国等发达国家，由此可见我国对输油管道的需求和建设仍然很大。但是其中最重要的一个问题值得引起我们的关注，这就是在石油运输过程中所产生的阻力损失，包括沿程阻力损失和局部阻力损失，我们知道在长输管道中泵站提供的能量中几乎全部用在管道壁面摩擦阻力（沿程阻力损失）的消耗上，管道运输的摩擦阻力会产生大量的能源损失。不仅如此，摩擦阻力的增加使管道运输的能量耗损加剧，导致管道的使用效率下降。在阻力增加的同时，管道的损坏也会严重，缩短管道使用年限；还会使管道压力波动大幅度变化，管线震动加剧，从而在管道运输系统的安全性能上带来很大的威胁。所以对管道减阻技术的研究不仅能提高管道的输量，维持管道安全运行，而且对减少能源损失，建设可持续发展的优质工程有着重要的意义。

与其他湍流边界层减阻技术相比，沟槽减阻这种表面修正的方法具备诸多优势：它费用低，以现有的制作工艺来说易实现，通过粘贴模型或者表面加工即可，获得的减阻效果可观，并且不容易遭到周围环境和外界的影响，目前这种技术已经被广泛运用到航空，船舶，管道等诸多工业领域。通过分析几种常用的输油管道减阻办法，在综合考虑减阻率和资金投入上探究其在输油管道中应用。