输气管道仿生肋条湍流减阻特性数值模拟

论文摘要

在光滑表面流向上设置微小的沟槽可以有效地降低壁面摩阻,降低输送过程中的能量损失。针对内表面有不同形状肋条的输气管道,采用数值模拟对不同流动状态进行模拟,本文采用CFD软件对不同类型管道进行数值模拟。主要采用RNG增强壁面函数的湍流模型以及大涡模拟进行计算。分析了流场速度、湍动能、涡量和雷诺切应力。模拟结果表明:不同形状肋条都具有减阻效果;湍流形成的涡经过肋条时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,减小了摩擦阻力;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。首先,在平板上设计不同的肋条形状。对不同的肋条模型进行数值计算,对比不同种形状肋条平板和光滑平板所受阻力,发现平板上间隔三角形肋条减阻效果最好。然后,在圆管内构造三角形肋条、间隔三角形肋条,与光滑输气管道圆管比较管壁阻力,发现三角形肋条减阻效果最好。通过分析了光滑圆管和肋条表面圆管湍流边界层中不同速度、湍动能、涡量和雷诺切应力云图,得出肋条形状在圆管内对减阻效果的影响。其次,选择减阻效果较好的三角形肋条,对不同雷诺数时圆管内壁上进行数值模拟。选取不同雷诺数Re分别为4000、6000、8000、10000、12000,对圆管内置铺的三角形肋条进行数值模拟,对比五种不同情况下肋条表面阻力,得出Re=8000时减阻效果相对较好。再次,对圆管内壁上不同尺寸三角形肋条进行数值模拟。通过对比两种尺寸三角形肋条的减阻率,发现s+=22.1和41.7时肋条都具有减阻效果。最后,根据仿生理论。在圆管内构造新的肋条形状,采用大涡模拟计算减阻效果较优的雷诺数8000进行计算。与光滑肋条和传统的三角形肋条比较管壁阻力,发现新型肋条减阻效果最好。分析不同肋条的速度、湍动能、涡量和雷诺剪切力,得出肋条形状在圆管内对减阻效果的影响。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究目的及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 减阻技术研究进展
•     1.2.2 肋条面平板湍流减阻研究进展
•     1.2.3 肋条面管道湍流减阻研究进展
•   1.3 主要研究内容
•   1.4 创新点
• 2 肋条减阻原理及数值模拟方法
•   2.1 肋条表面减阻机理
•   2.2 数值模拟方法
•     2.2.1 直接数值模拟
•     2.2.2 雷诺平均模拟
•     2.2.3 大涡模拟
• 3.平板上肋条减阻数值模拟
•   3.1 平板上不同形状肋条数值模拟
•     3.1.1 模型建立
•     3.1.2 网格划分
•     3.1.3 CFD设置
•     3.1.4 肋条几何尺寸
•   3.2 结果分析
•     3.2.1 湍流参数
•     3.2.2 计算结果
•     3.2.3 肋条的切应力分析
•     3.2.4 肋条的湍动能分析
•     3.2.5 肋条的涡量分析
•   3.3 本章小结
• 4 管道内肋条减阻数值模拟
•   4.1 不同形状肋条数值模拟
•     4.1.1 模型建立
•     4.1.2 湍流模型
•     4.1.3 网格划分
•     4.1.4 边界条件的设置
•     4.1.5 结果分析
•     4.1.6 管道内不同形状肋条减阻阻力特性分析
•     4.1.7 管道内不同形状肋条减阻流场分析
•   4.2 肋条不同雷诺数的数值模拟
•     4.2.1 模型设置
•     4.2.2 管道内不同形状肋条减阻阻力特性分析
•     4.2.3 管道内不同雷诺数减阻流场分析
•   4.3 肋条不同尺寸的数值模拟
•     4.3.1 模型设置
•     4.3.2 管道内不同形状肋条减阻阻力特性分析
•     4.3.3 管道内不同雷诺数减阻流场分析
•   4.4 小结
• 5 仿生肋条的数值模拟
•   5.1 湍流模型的建立及网格划分
•     5.1.1 模型建立
•     5.1.2 湍流模型
•     5.1.3 网格划分
•     5.1.4 管道内不同形状肋条减阻阻力特性分析
•     5.1.5 管道内不同形状肋条减阻流场分析
•   5.2 本章小结
• 6 结论与建议
•   6.1 结论
•   6.2 建议
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李闯

导师: 王卫强

关键词: 肋条,湍流减阻,减阻率,雷诺平均模拟

来源: 辽宁石油化工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,石油天然气工业

单位: 辽宁石油化工大学

分类号: O35;TE973

DOI: 10.27023/d.cnki.gfssc.2019.000192

总页数: 76

文件大小: 3416K

下载量: 41