基于多尺度相干結(jié)構(gòu)的輸氣管道壁面摩擦阻力檢測(cè)

基于多尺度相干結(jié)構(gòu)的輸氣管道壁面摩擦阻力檢測(cè)

1壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)療效機(jī)理壁流是指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在接近固體壁面附近區(qū)域，由于運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性的作用，使平均值隨著空間方向（方向）的坐標(biāo)而變化迅速（梯度較大），并突然移動(dòng)，導(dǎo)致極端混亂。這是自然界和工程科學(xué)的典型流動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，由于流量結(jié)構(gòu)的極端復(fù)雜性，它也是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題。壁湍流在管道中雖然只有徑向很薄的一層區(qū)域,但管道輸運(yùn)中有很多問(wèn)題都與壁湍流中流動(dòng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、演化、發(fā)展、相互作用密切相關(guān).它一方面可以使壁面摩擦阻力大幅度增加,使管道輸運(yùn)的能耗加劇、管道輸運(yùn)的效率下降、管道壁面磨損嚴(yán)重,降低管道使用壽命;另一方面還可以使管道壓力波動(dòng)加劇,幅值提高,隨機(jī)性增加,管線振顫加劇,降低管道流動(dòng)穩(wěn)定性,從而對(duì)管道輸運(yùn)系統(tǒng)的安全和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅.因此,從機(jī)理上分析壁湍流層中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其形成原因,進(jìn)而提出控制壁湍流的有效方法,不僅是湍流基礎(chǔ)研究的前沿課題,而且也是工程技術(shù)中亟待解決的重要問(wèn)題.而控制壁湍流的主要目的之一就是減小壁面摩擦阻力,降低管道運(yùn)輸能源消耗,提高管線輸運(yùn)效率,延長(zhǎng)管道使用壽命,提高管道輸運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性.湍流邊界層中近壁區(qū)域緩沖層混亂的流動(dòng)現(xiàn)象和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是壁面摩擦阻力大幅度增加、管道輸運(yùn)的能耗加劇的關(guān)鍵原因,其中低速條紋結(jié)構(gòu)的擬周期猝發(fā)現(xiàn)象是其物理基礎(chǔ).美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kline對(duì)湍流近壁區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面細(xì)致的觀測(cè)工作,發(fā)現(xiàn)低速條紋的抬升在外區(qū)形成高剪切層,使低速條紋發(fā)生振蕩,然后低速流體向外區(qū)噴射、使條紋結(jié)構(gòu)破碎,接著一股來(lái)自外區(qū)的高速流體沖入內(nèi)區(qū),使由條紋破碎引起的紊亂流動(dòng)變得比較平穩(wěn).并將這一系列的過(guò)程稱(chēng)為相干結(jié)構(gòu)的猝發(fā).相干結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是湍流研究中的一次重大突破,極大地改變了對(duì)湍流本質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),標(biāo)志著對(duì)湍流本質(zhì)的認(rèn)識(shí)從完全無(wú)序的階段進(jìn)入了無(wú)序中的有序的新階段.現(xiàn)在已經(jīng)公認(rèn),相干結(jié)構(gòu)是湍流中的重要結(jié)構(gòu),對(duì)湍流中動(dòng)量、能量和質(zhì)量的輸運(yùn),以及對(duì)湍流的產(chǎn)生、維持、演化和發(fā)展都起著重要作用.相干結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究,為認(rèn)識(shí)湍流的本質(zhì)并最終達(dá)到控制湍流的目的開(kāi)辟了新的途徑.壁湍流在管道輸運(yùn)中引起的最嚴(yán)重的問(wèn)題就是壁面摩擦阻力大幅度增加,使管道輸運(yùn)的能耗加劇,管道輸運(yùn)的效率下降,管道壁面磨損嚴(yán)重,降低管道使用壽命,對(duì)管道輸運(yùn)系統(tǒng)的安全和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅.特別是在石油和天然氣的輸運(yùn)過(guò)程中,這個(gè)問(wèn)題尤為突出.輸運(yùn)管道壁面減阻問(wèn)題是湍流工程應(yīng)用研究的前沿課題,目前的研究都是基于對(duì)壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過(guò)程的理論與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)上的認(rèn)識(shí).普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過(guò)程是產(chǎn)生湍流的根本原因,也是壁面摩擦阻力大幅度增加的根本原因.壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過(guò)程產(chǎn)生的混亂流動(dòng)現(xiàn)象和復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了管道輸運(yùn)中在管道周向和徑向上不必要的動(dòng)量和能量消耗.要減小壁面摩擦阻力,降低管道輸運(yùn)的能源消耗,就需要控制湍流的產(chǎn)生.控制湍流的產(chǎn)生就需要抑制緩沖層中相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過(guò)程,增加壁湍流黏性底層的厚度,保持壁湍流近壁區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)的平穩(wěn)和有序,減少緩沖層混亂的流動(dòng)現(xiàn)象和相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)的發(fā)生,以減少對(duì)管道輸運(yùn)不必要的能量消耗.因此一般控制湍流運(yùn)動(dòng)的方法都是從控制相干結(jié)構(gòu)入手,通過(guò)多種途徑來(lái)控制相干結(jié)構(gòu)的猝發(fā).2壁湍流對(duì)數(shù)律平均速度剖面測(cè)量壁湍流的流向平均速度沿法向剖面的測(cè)量是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù),經(jīng)過(guò)近一百年的研究和探索,其對(duì)數(shù)律平均速度剖面已經(jīng)得到廣泛的公認(rèn).特別是近三十年來(lái),熱線測(cè)速技術(shù)(HWA)的廣泛使用和激光測(cè)速技術(shù)(LDA)的成熟與發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了對(duì)壁湍流流場(chǎng)無(wú)干擾或微小干擾的平均速度剖面測(cè)量,極大地提高了壁湍流對(duì)數(shù)律平均速度剖面測(cè)量的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性.壁湍流對(duì)數(shù)律平均速度剖面與壁面摩擦速度u*,流體黏性系數(shù)ν等內(nèi)尺度物理量的關(guān)系為其中,U(y)為湍流邊界層流向平均流速,y為測(cè)量點(diǎn)的壁面法向坐標(biāo),,A,B為已知常數(shù),ν為氣體動(dòng)力黏性系數(shù).壁面摩擦速度u*與壁面摩擦切應(yīng)力τw的關(guān)系為在準(zhǔn)確測(cè)量壁湍流對(duì)數(shù)律平均速度剖面的基礎(chǔ)上,通過(guò)非線性迭代擬合其中的參數(shù)u*,利用關(guān)系式(2)可以準(zhǔn)確測(cè)量湍流邊界層的壁面摩擦阻力τw.壁面摩擦系數(shù)Cf定義為3實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)布置實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室低湍流度風(fēng)洞中完成的.風(fēng)洞為木質(zhì)結(jié)構(gòu)的直流閉口抽吸式風(fēng)洞,實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度4.5m,橫截面為切角的矩形,高0.45m,寬0.35m,實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速在0.5m/s和50.0m/s之間連續(xù)可調(diào),原始湍流度小于0.07%.實(shí)驗(yàn)用管道固定在實(shí)驗(yàn)段的水平中心,與來(lái)流方向平行,正對(duì)來(lái)流方向的管道壁前緣為楔形,管道長(zhǎng)L=2000mm,直徑350mm,厚5mm,測(cè)速儀為美國(guó)TSI公司IFA300型恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀,在距離管道前端X=1500mm處用TSI-1210-T1.5型單絲熱線探頭進(jìn)行測(cè)量,熱線敏感材料為直徑2.5μm的鎢絲.實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了從0.5mm到20mm間不等距的100個(gè)測(cè)點(diǎn),沿管道壁的徑向精細(xì)測(cè)量流向速度分量的時(shí)間序列信號(hào),采樣頻率100k,每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量4194304.4壁湍流平均速度剖面為了配合西氣東輸工程,采用管道壁面涂料減阻技術(shù),用平均速度剖面法測(cè)量壁湍流的壁面摩擦阻力,對(duì)噴刷聚氨酯涂料的管道壁面減阻性能進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)研究.在風(fēng)洞中用兩個(gè)雷諾數(shù)吹風(fēng),各得到兩條壁湍流平均速度剖面,如圖1所示,說(shuō)明本流場(chǎng)符合標(biāo)準(zhǔn)的湍流邊界層流場(chǎng).通過(guò)非線性迭代擬合其中的壁面摩擦速度u*,用平均速度剖面法測(cè)量壁湍流的壁面摩擦阻力τw和壁面摩擦系數(shù)Cf.表1給出了實(shí)驗(yàn)條件中的自由來(lái)流速度U和實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)Re,其中實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù),D為管道直徑.表2給出了不同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量的壁面摩擦速度u*,壁面摩擦阻力τw和壁面摩擦系數(shù)Cf.5壁湍流相干結(jié)構(gòu)變形控制機(jī)理圖2給出了用子波分析結(jié)合條件采樣方法在管道表面噴刷聚氨酯減阻涂料前后距離壁面在y+=22附近提取的1～6尺度相干結(jié)構(gòu)的條件相位平均波形的比較.從圖中可以看出:平板表面噴刷減阻涂料以后緩沖層距離壁面最近點(diǎn)的第1～6尺度相干結(jié)構(gòu)的條件相位平均波形顯著改變,從原來(lái)反對(duì)稱(chēng)形狀變?yōu)榫哂蠱形狀的準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)波形.壁湍流相干結(jié)構(gòu)從拉伸-壓縮-拉伸的反對(duì)稱(chēng)變形過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s-小拉伸-小壓縮-拉伸的變形過(guò)程.原來(lái)相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過(guò)程中高速流體從外區(qū)向內(nèi)區(qū)向下掃掠使當(dāng)?shù)厮俣忍岣叩募铀龠^(guò)程明顯受到抑制和破壞,由于高速流體從外區(qū)向內(nèi)區(qū)向下掃掠的過(guò)程是壁湍流摩擦阻力產(chǎn)生的主要過(guò)程,掃掠過(guò)程受到抑制就意味著壁面摩擦阻力減小.其物理原因是平板表面噴刷減阻涂料增加了平板表面的彈性,高速流體從外區(qū)向內(nèi)區(qū)向下掃掠時(shí)彈性壁面產(chǎn)生對(duì)流體的反作用力使掃掠過(guò)程受到緩沖,降低了掃掠過(guò)程的強(qiáng)度.這是該區(qū)域壁面摩擦阻力減小的根本原因.6效果比較