基于FLUENT的管道内壁表面状态对流体摩擦阻力的影响研究_付宜风

2014年5月第39卷第5期

DOI：10.3969/j.issn.0254－0150.2014.05.005

润滑与密封

LUBＲICATIONENGINEEＲINGMay2014Vol.39No.5

*

基于FLUENT的管道内壁表面状态对流体摩擦阻力的影响研究

付宜风

1

雷成旺

1，2

张璇

1

白秀琴

1，3

袁成清

1，3

（1.武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所

2.澳大利亚悉尼大学土木工程学院

3.武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室

湖北武汉430063；湖北武汉430063）

澳大利亚悉尼NSW2006；

摘要：油气长输管道在运行过程中受腐蚀、结垢的影响，管道内壁表面状态会发生显著的变化，进而会引起管道内流场和沿程流体摩擦阻力的变化，目前在这方面的研究比较欠缺。基于计算流体动力学软件FLUENT，数值模拟在腐蚀、结垢条件下管道内壁表面状态发生改变后，管道流体摩擦阻力的变化情况。结果表明：管道结垢后在内壁形成凸起，流通面积减小，沿程摩擦阻力系数变小，单位长度压降和总的能量损失增大；管道腐蚀后在内壁形成凹坑，沿程摩擦阻力系数和单位长度压降均减小，说明形成腐蚀坑后不规则表面可能具有一定的减阻效果，研究可为基于表面纹理的管道减阻提供一定的参考依据。

关键词：FLUENT；摩擦阻力；腐蚀；结垢中图分类号：TE973

文献标识码：A

文章编号：0254－0150（2014）5－023－5

檿檿檿檿檿檿檿檿檿

擦

檿檿檿檿檿檿檿檿檿

EffectsofPipelineInnerSurfaceFeaturesonFluidFrictional

ＲesistanceUsingFLUENTAnalysis

FuYifeng1

2

LeiChengwang1，

ZhangXuan13

BaiXiuqin1，3

YuanChengqing1，

（1.SchoolofEnergyandPowerEngineering，WuhanUniversityofTechnology，WuhanHubei430063，China；

2.SchoolofCivilEngineering，TheUniversityofSydney，SydneyNSW2006，Australia；

3.KeyLaboratoryofMarinePowerEngineering＆Technology（MinistryofTransport），WuhanUniversityof

Technology，WuhanHubei430063，China）

Abstract：Theinternalsurfacefeaturesofthelong-pipelineduringitsrunningprocesswillchangesignificantlybytheinfluenceofcor-rosionandfouling，andthusitsflowfieldwillchangetoresultinthechangeofthefluidfrictionalresistancecorrespondingly.Currently，therearefewstudiesinthisfield.ThefrictionalresistanceofinnerpipelineaftercorrosionandfoulingoccurwasanalyzedthroughnumericalsimulationbyFLUENT.Thesimulationresultsshowthatthecirculationareaofthepipeisdecreasedafterfouling，andthedragcoefficientalongthepipelinebecomessmaller，butthepressuredropperunitlengthandthetotalenergylossareincreased.Inthecaseofcorrosion，thedragcoefficientalongthepipelineandpressuredropperunitlengtharedecreased，indicatingthatthepipewithirregularsurfacemayhavethepositioneffectofdragreductionafteraddingcorrosionpits.Theresearchprovidesareferenceforpipelinedragreductionbasedonsurfacetexturedesign.

Keywords：FLUENT；frictionalresistance；corrosion；fouling

摩擦不仅是造成固体相对运动能量损失的主要原因，也是导致固液界面之间相对运动能量损失的主要因素，据称世界能源有1/2～1/3是消耗于克服摩

［1］

的位能，另一部分就是克服油品沿管路流动过程中摩擦造成的能量损失。油品在管道内的流动状况和管道内表面形貌有很大关系，之前都只是关注初始粗糙度对摩擦阻力的影响，较少关注管道运行过程中内表面发生变化后摩擦阻力的变化。而我国大部分原油具有高黏度的特点，易结垢，并且随着原油开采末期高含水期的到来，管线腐蚀、结垢问题更将是困扰和制约管道输送今后发展的重要因素之一

［2］

。管道运输中一部分能量用于克服地形高差所需

基金项目：国家自然科学基金项目（51379166）.收稿日期：2013－08－23

作者简介：付宜风（1990—），男，硕士研究生，从事海洋摩擦mail：1204279249@.学方面的研究.E-

。腐蚀、结垢都

会对管道内表面形貌产生较大影响，所以有必要对此种情况下的管道摩擦阻力变化进行研究。

目前运用FLUENT软件对管道摩擦阻力进行研究是一种新的方式

［3］

添加腐蚀凹坑，所以选取的管道尺寸相对小一些，减小复杂程度。管道为水平管，流体以一定的速度在管道中流动，内部流动介质为原油。为了具有代表性，选用的原油为大庆原油，具体物性如下：密度ρ=860kg/m3，运动黏度v=2×105mm2/s，动力黏度μ=0.0172Pa·s。管道相关尺寸分别为：长度L=2m，直径D=0.3m，当量粗糙度e=0.10mm，几何模型如图1所示

。

，本文作者通过数值模拟管道在腐

蚀、结垢条件下流场的变化情况，进而分析管道流体摩擦阻力的变化情况。通过计算和比较分析管道的沿程摩擦阻力系数，获得了管道腐蚀、结垢后内壁表面状态的改变对管道流体摩擦阻力的影响规律。1

沿程阻力系数

管道的摩阻损失包括沿程摩阻损失和局部摩阻损失两部分，沿程摩阻损失是指流体通过直管段所产生的摩阻损失；局部摩阻损失是指流体通过各种阀件和管件时所产生的摩阻损失，也就是流体流经突变截面时流速的大小和方向均发生剧烈变化而引起的能量损失。对于长输管道摩擦损失主要是沿程摩阻，局部摩

［1］

阻只占1%～2%。从流体力学角度分析，沿程摩

图1Fig1

管道几何模型示意图

Thegeometrymodelofthepipe

擦阻力产生的本质是，流动过程中流体受管壁和自身黏性影响会产生摩擦损失，并会产生径向方向的速度分量，阻碍沿轴向方向的运动，从而造成不必要的能量损失。

本研究旨在通过FLUENT软件数值模拟输油管道的流动状况，并通过后处理得到数值模拟过程中管道的沿程阻力系数λ。这里需要用到2个公式，即流体力学中著名的伯努利方程和达西公式示：

p1v12p2v22

z1++=z2+++hf

ρg2gρg2gLv2

hf=λ

d2g

（1）（2）

［4］

2.2数学模型

湍流流动是一种高度复杂的流动，目前的湍流数

值模拟方法可以分为直接数值模拟（DirectNumericalSimulation）和非直接数值模拟。非直接数值模拟又分为大涡模拟方法（LargeEddySimulation）、Ｒeynolds平均法和统计平均法。数值模拟最理想的状态就是网格最够小，小到足以分辨最小涡的运动，时间步长也足够短，短到小于涡的最小运动周期，但这几乎是不可能实现的，因为对计算机硬件要求太高。退而求其次就有了大涡模拟（LES），可以将比网格尺度大的湍流运动直接计算出来，小于网格尺寸的涡对大尺寸涡的影响就通过建立模型来模拟，但这仍对计算机有较高的要求。所以只能再退而求其次，用ＲANS法，即只考虑涡流引起的平均流场的变化，就是只要得到整体的效果即可，所以就对网格尺寸要求不是很高，可以用一般计算机求解，目前运用较多的是ＲANS平均法。在此选用的就是运用ＲANS平均法的ＲNGk－ε模型。33.1

模拟分析控制方程

流体流动受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含不同成分（组元）的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程就是这些守恒定律的数学描述

［5］

，分别如下所

考虑水平管道，故位置水头变化可以忽略不计，又选取充分发展段，管道横截面平均速度相等，所以式（1）和（2）简化联立后可解得：

λ=

2Δpd

Lρv2

（3）

在数值模拟过程中，可以得出管道中不同截面处油流的压降Δp及对应截面处的平均流速v，所以可以求出数值模拟管道的沿程阻力系数λ，对比原管道和腐蚀、结垢管计算的λ值，即可得出管道摩擦阻力的变化情况。22.1

模型建立物理模型

首先建立管道的几何模型，其中一条管道由于要

。由于在研究中不考

虑流体流动过程中的热交换和温度变化，故没有包括

能量守恒方程。

（1）质量守恒方程：

ui

=0xi

（1）进口边界条件：流体以2m/s的速度，水平方向进入到管道中；

（4）

（2）出口边界条件：设置为出流；

（3）壁面边界条件：固体壁面上采用无滑移条件［3］。几何模型是在GAMBIT软件中直接建立的。虽然模型比较规则简单，网格划分还是进行了几次不同的尝试，选取运用边界层网格的划分方式。本节中选择分离式的求解器，采用隐式算法，采用SIMPLE算法

［7］

∑

（2）动量守恒方程：

ρuiujui

+ρuiuj－（μ+μt）+xitxixj

[()]

=

p

+ρfixi

（5）

（3）湍动能k的输运方程：ρkμ

+ρuik－μ+ttxiδk

ρεμ+ρuiε－μ+ttxiδk

。对于亚松弛迭代因子，可初步确定压力修正项

[()(xk)]=G－ρε

i

ε1

（6）

为0.3，动量修正项为0.7。在计算的过程中，根据收敛情况，确定是否要对松弛因子进行调整，收敛残差标准均设为10

－3

（4）湍耗散率ε的输运方程：

。

[(=C)(εx)]

i

G

εε

－Cε2ρkk

2

44.1

流场模拟结果及分析结垢对管道阻力的影响

将划分的网格导入FLUENT软件进行数值计算，

（7）

查表可得：Cμ=0.09，δk=1.0，δε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.923.2

［6］

在满足残差的条件下，得到满足要求的解，数据进行后处理后得到所需的结果。图2，3分别为未结垢管内流场的速度云图、压强云图

。

。

边界条件与数值模拟

针对于模型的数值模拟，给出以下边界条件：

图2

Fig2

未结垢管x=0截面速度云图

Fig3

图3未结垢管x=0截面压强云图

Contourofvelocityatx=0ofpipewithoutfoulingContourofpressureatx=0ofpipewithoutfouling

把结垢简化为管道直径的减小，前提是管道体积8］，管道结垢厚度为几毫米左流量不变，根据文献［

右，在此取最不理想的情况，结垢层厚度为1cm。流通面积变小后，管道流速由原来的2m/s增加到2.3m/s。

为得到结垢管的速度和压力云图，同样将结垢管的网格也导入FLUENT中进行数值模拟，把两种情况下的结果进行比较，即可发现管道中流场的变化情况，如图4，5所示

。

图4Fig4

结垢管x=0截面速度云图

Fig5

图5结垢管x=0截面压强云图

Contourofvelocityatx=0offoulingpipeContourofpressureatx=0offoulingpipe

由于管径只是变化了2cm，从结垢前后管的速度云图和压强云图并不能很直观地看出流态的变化，因此选取相同位置的截面，计算了截面处的平均速度和压力，结果如表1，2所示。可以发现，在流通面积减小后，管道内流速加快，压降也增大了。

表1

未结垢管和结垢管沿Z方向速度和压力平均值AveragespeedandpressurealongZofthepipewithoutfoulingandfoulingpipe

截面位置x/mm

未结垢管结垢管

1000190010001900

平均速度v/（m·s）

2.002.002.302.30

－1

λ=

2Δpd2×208.032×0.3

==0.0403（未结垢管）Lρv20.9×860×222Δpd2×270.066×0.3

==0.0397（结垢管）Lρv20.9×860×2.32

vd4Q

=，可得当υπdυ

λ=

根据雷诺数计算公式，即Ｒe=

Table1

体积流量不变时，直径d减小，雷诺数增大。又根据公式λ=0.3164Ｒe摩擦阻力减小。

－0.25

，可知当雷诺数增大时，沿程

平均压力p/Pa－288.579－496.611－373.664－643.731

上面计算结果和理论分析结果一致，可以发现沿程摩擦阻力系数变小，但单位长度的压降相差仍然较大，这就说明结垢对管道的运行有很大影响。众所周知，长输管道在设计时，泵站数都是在规定流量下油品从起点到终点总的压力损失来确定的，如果结垢过厚，管路全线的压力能的损失肯定会增大，这就要求管道每个泵站要提供更多的压头，才能保证油品在管道中可以顺利输送。但管道可以承受的压强是一定的，而且随着管道使用年限的增加，管道强度也是不断下降的，所以增大管道运行时的压强可能会造成管道的破裂，从而形成严重的环境事故。所以必须对管道的结垢进行控制，使管道可以长期安全稳定运行。4.2

腐蚀对管道阻力的影响

管道的腐蚀是一个复杂的过程，表面的腐蚀坑也是无规律的，所以要完全模拟管道的腐蚀较难，在此同样采用简化处理。在GAMBIT建模中，首先建立三维的圆柱体表示管道的计算域，在此基础上再添加腐蚀坑。因为选取的管道内径为300mm，管壁厚度在10mm左右，所以添加的腐蚀坑最大深度为8mm左右，添加到圆柱上后，通过布尔运算将它们合成为一个整体，再进行网格划分。几何模型和网格划分分别如图6，7所示

。

网格检验是数值模拟过程中重要的一步，只有通过网格检验才能说明网格划分对计算结果没有影响，即得到的数据才具有可信性。为此只对未结垢管计算域重新划分了网格，得到的对比结果如表2所示。

表2Table2

不同网格划分时的压强计算结果对比Comparisonofthepressurecalculatedwithdifferentgrid

网格数184672336144500288

Z=1m处压强Z=1.9m处压强

p/Pa－288.579－279.342－274.382

p/Pa－496.611－484.463－477.755

压差Δp/Pa208.032205.121203.373

沿程阻力系数λ0.04030.03980.0394

可以发现不同的网格划分得到的结果是基本相同的，因此网格划分是合理的，可以用于数值模拟。

采用上面的网格划分，计算沿程阻力系数如下：

图6Fig6

添加腐蚀坑后的管道Pipewithcorrosionpits

Fig7

图7计算区域网格化分

Meshedcomputationalzone

与前面一样，对几何模型同样进行了网格检验。将模型导入到FLUENT中，得到的速度、压力云图及

相关数据如图8，9和表3所示

。

图8Fig8

腐蚀管x=0截面速度云图

Fig9

图9腐蚀管x=0截面压力云图

Contourofvelocityatx=0offoulingpipeContourofpressureatx=0offoulingpipe

表3Table3

腐蚀管沿Z轴平均速度和压力AveragespeedandpressurealongZofcorrosionpipe

阻

［10］

。这可以为基于表面纹理结构设计的管道减阻

［11］

提供一种新的思路和方法。

截面位置x/mm

10001900

－1

平均速度v/（m·s）平均压力p/Pa－206.942－384.147

1.991.99

计算腐蚀管沿程摩擦阻力系数如下：λ=

2Δpd2×177.205×0.3

==0.0343

0.9×860×22Lρv2

5

图10

Fig10

腐蚀管表内面流场示意图

Flowfiledofcorrosionpipealongtheinnersurface

与前面计算的未腐蚀管沿程摩擦阻力系数0.0403相比，可以发现沿程摩擦阻力系数值减小，压降也有所减小。该计算结果和前面的理论分析有出入，其原因并不是因为管道表面变得粗糙，导致沿程摩擦阻力系数变大和阻力增加。下面将给出这一现象的机制解释。

出现腐蚀凹坑后管道沿程摩擦阻力减小，其原因在于该尺度的凹坑并没有加剧紊流，因为金属表面还是被边界层覆盖住了，凹坑中的涡流被抑制在边界层中而不能扩散到中心流中加剧主流场的紊流，如图10所示。相反在金属表面和流体之间发生了类似于滚动摩擦代替滑动摩擦的现象，滚动摩擦造成的阻力明显是小于滑动摩擦所造成的阻力，因而就出现了管道在出现该尺度的腐蚀坑后阻力反而减小的情况。另

［9］4

外，Bearman和Harvey也曾发现，雷诺数在4×10～

结论

（1）管道在结垢后流通面积减小，在体积流量不

变的情况下流速增加，通过理论分析可知沿程摩擦阻力系数减小，数值模拟也说明了这一点，但管道单位长度压降会增大，所以管道总的能量损失是增大的。

（2）管道在腐蚀后，会有腐蚀坑出现，管道强度下降，FLUENT数值模拟发现该尺度下管道的沿程摩擦阻力系数和单位长度压降反而是减小的，管道能量损失是减小的。

（3）在适当尺度的腐蚀凹坑形成后，在不考虑管道材料强度的前提下，管道内表面能达到流体摩擦阻力减小的效果，定量的减阻效果还有待于进一步的研究，这为基于表面纹理结构设计的管道减阻提供了一种新的思路和方法。

参考文献

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2011．北石油大学石油工程学院，

3×105的范围内，布置凹坑直径与圆柱直径比为0.009的凹坑在圆柱体表面能实现减阻。原因可能是圆坑结构近似于一种小面积曲面，可以形成一种独特的涡使流场中的旋涡重新拟合，且流场中大部分的涡都被约束在这种结构中，破坏了原始流场中的湍流涡结构，并严重干扰了湍流大涡的形成，从而实现减

（下转第107页）

含有硝基化合物的试样4的最大攻丝扭矩值为490N·cm，平均攻丝扭矩值为319N·cm。这说明硝基化合物在切削油中取代氯化石蜡能达到相同的润滑极压效果，这与四球机上所得到的试验结果一致。通过攻丝扭矩实验，进一步证明了在切削油中硝基化合物取代氯化石蜡的可行性

。

蜡，在润滑极压性能方面，硝基化合物相对于聚合酯更接近于氯化石蜡水平。

（2）硝基化合物不含硫、磷、氯等元素，对环境没有污染，是一种绿色环保的极压剂，其在黑色金属表面反应形成的化学反应膜能有效涵盖氯化石蜡的作用范围，通过与其他油性剂、硫类极压剂等的复合使用，在金属切削油中可以有效取代氯化石蜡。

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图4Fig4

试样2攻丝扭矩试验结果

Tappingtorquetestresultsofsample

2

图5Fig5

试样4攻丝扭矩试验结果

Tappingtorquetestresultsofsample4

4

结论

（1）通过四球极压以及四球摩擦磨损试验机和MicroTap攻丝扭矩试验机，考察了硝基化合物、氯

化石蜡、高分子聚合酯和含硫极压剂在纯油型金属加工液中的润滑极压性能。结果表明：硝基化合物和高分子聚合酯在抗磨减摩性能方面，明显优于氯化石

（上接第27页）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mun4.html