摘 要

管道运输是原油和成品油最主要的运输方式。对于长距离输送的管道系统，摩阻损失是输送过程能量损失中非常重要的一项。在众多的降低管道摩阻损失的技术中，利用沟槽面进行管道减阻的技术凭借其成本低、易实现、性能稳定和无需辅助设备等诸多优点受到很多的关注，应用也越来越广泛。所以关于沟槽面管道的减阻研究有着重要的工程应用和经济价值。近年来，计算流体力学（CFD）的不断进步和成熟，FLUENT等商业软件的普及很大程度的帮助了人们对流体动力学的分析研究。本文运用数值模拟的方法，研究了管道中不同的沟槽面形状和不同的沟槽面尺寸对沟槽面减阻效果的影响。将计算结果与理论结果及进行对比分析，得出了在给定条件下对称V形管道沟槽面的减阻效果要远好于其他形状的管道沟槽面的结论。

关键词：输油管道；沟槽面；摩阻系数；FLUENT；数值模拟

Abstract

Pipeline transportation is the main mode of crude oil and oil products transport. For long-distance transmission pipeline system, the friction loss is a very important way of energy loss in the process of conveying. Among the pipe friction reduction techniques, the groove surface drag reduction technology draws a lot of attention by virtue of its low cost, easy to implement, stable performance and without auxiliary equipment, and many other advantages. And its application also becomes more and more extensive. So study on drag reduction of pipeline trench surface has important engineering and economic value. In recent years, computational fluid dynamics (CFD) continues to progress and mature. With the popularity of FLUENT and other commercial software, people can analyze fluid dynamics easily. In this paper, the numerical simulation method is used to study the effects of different groove shapes and sizes on drag reduction of groove surface. Comparing the numerical results with theoretical results, it can be obtained that under the given conditions, the drag reduction effect of symmetrical V-shaped groove surface is much better than that of other shape groove surfaces.

Key Words: oil pipeline；groove surface；friction coefficient；FLUENT；numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本文研究的目的与意义 1

1.2 国内外管道减阻技术研究概况 1

1.2.1粘性减阻 1

1.2.2沟槽减阻 2

1.2.3振动减阻 2

1.2.4联合减阻 3

1.2.5其他管道减阻方法 3

1.2.6不同减阻方法的特点比较 3

1.3 本文研究的主要内容 3

第2章 管道内流体的阻力损失 4

2.1 管道摩阻损失 4

2.2摩阻系数λ 4

2.2.1 雷诺数 4

2.2.2 粗糙度 5

2.2.3 摩阻系数λ的计算 5

2.3 管道阻力的数值模拟 7

第3章 管道沟槽面减阻的机理和影响因素 8

3.1近壁区流动特点 8

3.2 沟槽面减阻的机理 8

3.2.1第二涡群理论 8

3.2.2突出高度理论 9

3.3 影响因素 9

3.3.1 沟槽的尺寸形状 9

3.3.2 沟槽的放置方向 10

3.3.3 流场压力梯度 10

第4章 计算流体动力学（CFD）的基本理论及应用 11

4.1计算流体动力学简介 11

4.2 流体动力学控制方程 12

4.2.1 质量守恒方程 12

4.2.2 动量守恒方程 13

4.2.3 能量守恒方程 14

4.2.4 控制方程 15

4.3 CFD的求解过程 15

4.4 FLUENT软件简介及应用 17

4.4.1 FLUENT工作流程简介 17

4.4.2 FLUENT软件的特点及应用 18

第5章 管道沟槽面对流体阻力特性的数值模拟 19

5.1 管道沟槽模型的建立 19

5.1.1沟槽的布置方向 19

5.1.2 沟槽尺寸 19

5.1.3沟槽几何形状 20

5.2数值模拟 21

5.2.1计算模型 21

5.2.2划分网格 21

5.2.3边界条件初始化 22

5.2.4迭代计算 23

5.3应用FLUENT计算结果 23

5.3.1试算 23

5.3.2 λ的计算结果 26

5.4 计算结果分析 28

第6章 结论与展望 31

6.1 结论 31

6.2 展望 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 本文研究的目的与意义

随着全球经济的飞速发展，世界能源消耗不断上升，同时也造成了能源运输和使用过程中的损耗不断增加，节约能源，减少损耗已经成为大家的共识。事实上仅仅由于摩擦损耗所造成的损失已经远远超过了人们的想象。减少摩擦造成的损耗，比如减少各种运输工具如输油管道，航运船舶，飞机机翼等的表面阻力是节约能源的一种重要途径。对于长距离输送管道，随着其输送量的不断提升，输送压力的持续提高，摩擦造成的能源消耗相当巨大，针对输油管道的减阻技术因此显得十分重要。单单就减小管道湍流边界层阻力的技术就有：（1）边界层控制法；（2）在边界层添加物质类，包括微气泡减阻法^[1]和高分子涂层减阻法^[2]；（3）改变表面物理结构类，最常用的就是沟槽面减阻法。在实际应用中，前两种方法还有不少缺陷和困难，相比之下，表面沟槽减阻有不少优点，如加工简单，减阻效果明显等。所以利用沟槽面来减小边界层阻力虽然看似简单，却是前景非常广阔的一种方法，沟槽面减阻的深入研究对整个减阻研究的发展也会带来很大的推动。

通过本课题，也可对当前管道表面沟槽减阻研究状况有初步了解，熟悉和掌握FLUENT软件，包括建立模型、网格划分、计算结果分析等，最后通过计算结果进行比较能提出一些减阻建议。

1.2 国内外管道减阻技术研究概况

目前主流的减阻技术包括：粘性减阻(添加高分子聚合物、管壁图层等)、沟槽减阻、壁面振动减阻等多种技术。而管道输送中的减阻对象主要有石油、水、泥沙、天然气等，这里介绍常见的应用于此类工质的管道减阻的技术：

1.2.1粘性减阻

通过改变壁面材料的性质，或者引入其他不同性质的流体来改变近壁区流体动力学性质,从而减小流动阻力的技术。

（一）减阻剂：在流体内部添加微量的某种物质（多为高分子聚合物），可以改变湍流流动结构，从而大大降低湍流阻力。

上世纪四十年代人们就发现了聚合物在输油管道中有减阻效果^[3]。上世纪六十年代之前，人们合成了许多水溶液中的聚合物减阻剂如聚丙酰胺（PAM）、聚氧化乙烯（PEO），并成功应用到工业中。上世纪六十年代后，石油工业的迅猛发展促使人们陆续研制出更多的高分子聚合物减阻剂。1979年美国阿拉斯加输油管道意外事故^[4]中，及时使用了美国Conoco公司研制的CDR-101型减阻剂，不仅成功实现了越站输送，更恢复且大幅度提升了原有管道输送能力。经过不断的科研和实践发展，类似德国的BASF公司、美国ARCO石油公司等合成出了很多减阻效果更好、成本更低的减阻剂。减阻剂世界原油和成品油管道输送领域的成就是巨大的，尤其以可观的经济收益为代表。例如中东地区一条直径为1 000 mm的原油输送管道^[5],最大输量为12.4万m³ /d。油田产量增加后，用了注入减阻剂减小管道摩阻压降,成功地使管道输量增加到15.9万m³ /d。

(二)管道内涂层减阻：将光滑的材料涂在粗糙的管壁上,降低了管道与流体接触部分的粗糙度，从而降低管内流动阻力。