毕业论文-管道增输器

1、摘要本研究主要是对前人所做的脉冲流发生器的分析做出验证，并且在此基础上进行 扩展。使用fluent研究了大管径脉冲流发生器的天然气管道脉冲流发生器的流场分 析并与小管径脉冲流发生器的流场分布做出对比。本文定性地分析了在二维对称分布 流场分析中大管径脉冲流发生器和小管径脉冲流发生器的界同点。并在此基础上继续 研究其非稳定流场，得到大管径脉冲流发生器和小管径脉冲流发生器一些有意义的测 试点的压强-时间图，并对比。此外，本研究还使用algor分别对大管径脉冲流发生器和小管径脉冲流发生器进 行了三维非稳定流场分析，并发现和分析环向漩涡对脉冲流发生器的影响。 关键词：脉冲流发生器流场分析环向漩涡abst

2、ractthe primary goal of this article is to confirm and extend previous analyse.this paperanalyse the big diameter stream of pulsesproducerby fluent,andcontrast the fluid field of big diameter and small diamete匸 and it gives a qualitative analysis of the differentiabetweenbig diameter and small diame

3、ter of 2d fluid field.in additionjtanalyse the 3d fluid field of stream of pulsesproducer by algor,and gives the characteristic of it.keywords： stream of pulsesproducer, theanalyse offlow field, eddy目录第1章绪论1.1油气管路增输的意义天然气是清洁、优质、具有竞争力的能源。较之煤炭和石油，单就价格而言，天 然气无法与煤竞争，但是天然气污染小（煤与天然气排放的污染物比，灰分为148:1, 二氧化硫为

4、2700:1,氮氧化物为29:l）o天然气是实现我国能源供应优质化、清洁化、 多样化的主要途径之一，加快中国天然气工业的发展将对煤炭和石油有重要的替代和 补充作用，是确保经济增长向着“又好又快”方向迈进的重要因索。中国煤炭产能受 生态环境、安全生产、运输等各种条件的制约，煤炭开发与生产规模的上限约为24 亿吨，2005年中国煤炭产量达到了 21.9亿吨，正在向生产能力的极限靠近；中国石 汕消费畸形增长，进口依存度越来越犬，已成为影响国家经济安全、制约政治经济发 展的重要i大i素。天然气是优化中国能源结构的重要途径，增加天然气在一次能源消费 结构中的比例是能源优质化的必由之路。90%以上的天然气

5、利用管道进行长距离输送。在流体输送过程中，管道内壁与流体 之间以及流体层之间的摩擦力均会产生一定的压力损失。为了补偿这部分压力损失, 使流体保持初始流量到达目的地,需要建设增压站以提高流体压力。出于安装、维护和 操作增压站成本较高，经济学家指出，即使增压站能够使气体流量增加，其数量和规模人小也应受到限制，因此需要通过其他方法使流体的管道输量在压井一定的情况下达到 最大值。1.2增输的途径、效果、成本及其各方法的适用范围对丁如何提高管道的输气量，目前常用的办法是增人供气压力、增犬管径或建设 复线和采用管道的减阻增输的方法。在干线的输气量可以准确预测的情况下建设一条 高压大口径管道比平行建几条低压

6、小口径管道更为经济，输气管道的输送能力与管道 -直径的2.5次方成正比。然而考虑到已有管道输送的安全性和经济性等方面的因素, 增大压力或增设管线的方法受到限制，况h在湍流的流动状态下单纯增大压力未必会 有效的增大输气量。目前增输减阻的方法主要有：内涂层技术、减阻剂技术和瞬面振动减阻。1.2.1内涂层技术天然气管道减阻内涂技术的研究始于20世纪40年代，大规模用于长输天然气管 道是在20世纪50年代，并从60年代开始得到了飞速发展。美国石油学会于1968年 颁布了非腐蚀性气体输送管道内涂层推荐做法（apirp5l2），不断修订完善，并 在2002年进行再次确认。英国天然气协会业于1971年颁布了

7、钢质干线管道和管件 内涂层材料技术规范（gbe/cm2），并于1993年得到了 欧共体的认可。目前许多大口径、长距离天然气管道，如欧洲的马格里布管道、美加 的联盟管道，就全面采用了减阻内涂技术。我国应用研究管道内涂层已近30年，胜利油出、中石油的工程技术研究院、中科 院沈阳金属研究所等单位先后研制了管道内涂层涂料和内涂设备。到目前为止，我国 已建成的天然气管道如西气东输管道、出川管道、忠武线及正在建设西气东输二线等 均应用了减阻内涂技术。内涂层技术能使管道流动效率提高6%,然而，内涂层技术不适于在小管径输气 管道上应用，出于人管径的管道人多处于粗糙区湍流，而小管径输气管道的雷诺数较 低，处于混

8、合摩擦区湍流，减低小管径输气管道的粗糙度对阻力系数影响不大；口由 于天然气中存在的水、氧及硫化氢对内涂层的腐蚀作用，会使内涂层的粘结力下降、 性能下降。1.2.2减阻剂技术天然气减阻剂是一种可以减小气体流动摩擦阻力、增加气体管道输量的化学添加 剂。管输原油和成品油减阻剂已经进入商业化时代，但有关管输天然气减阻剂的研究却 鲜见报道。为了增加管道气体输量，早期的美国专利usp2 958 205报道了在进入管道 而将气体液化再行输送的方法，而美国专利usp4 132 535则报道了向气流中注入添加 剂（例如高聚物）控制水合与腐蚀，以捉高管道工作效率的方法。20世纪90年代美国率先提出了天然气减阻剂减

9、阻技术，并在实际输气管道中进行 了应用试验，取得了初步效杲。该技术采用的天然气减阻剂为具有与表面活性剂类似结 构的大分子物质或聚合物,这些大分子物质或聚合物的特殊分子结构，可以吸收流体与 管道内壁界面产生的湍能,降低施加于管道内表而的力，吸收的湍能随后缓缓散逸到流 体中，减少流体湍动的紊乱程度，达到减阻的目的。它克服了管道内涂层减阻方案中施 工复杂、费用较高的缺点，特别是天然气减阻剂减阻技术采用隔时连续注入方式，解决 了采用内涂层技术存在的随时间延长内涂层不断脱落。减阻效果逐渐降低甚至产生负 效应的难题，具有广阔的应用而景。1998年,ying-hsiao li分别在实验室和工业现场开展了天然

10、气减阻剂的相关研究 工作。在实验室，他设计了管道环路，并利用该环路筛选了各类可能作为天然气减阻剂 的物质，包括防冻剂、润滑剂、缓蚀剂和某些原油。结果表明某些缓蚀剂和某些特定原 油的减阻效呆相当，并高丁润滑剂和防冻剂。利用该环路述对一些易于雾化到气流屮的 较轻分子如丁胺、二甲基乙酰胺和己胺进行了考察，结果表明这些较轻分子并没有提高 气体的流量，这是由于它们的分了量或蒸汽压太低的缘故。同时，评价了來门chemlink 的4种不同分子量缓蚀剂的减阻效果，结果表明使管子内表而成膜的效力随分子量的 增加而增大。基于上述试验得岀结论:由脂肪酸合成的具有多胺和/或酰胺官能团交联 在一起的c18c54高分了量

11、缓蚀剂是最有潜力的天然气减阻剂。在墨曲哥一条输送 干气的近海管道上开展了 nalco945缓蚀剂的现场应用试验，试验管道内径为194 mm, 管长为10 kg试验结果显示的最好减阻效果为:在保持大约5.8 mpa排出压力的情况 卜，可使管道压降从1.24 mpa降至1.19 mpa,并使气体流率从141.6x 104m3/d增至 147.3x104m3/d,jt减阻效果在一次注射处理后第3周达到最高，接着逐渐减弱,减阻作 用可持续两个多月。2000年,huey j chen在墨西哥一条天然气输送管道开展了使用缓蚀剂作为犬然气 减阻剂的现场应用试验并获得成功。试验管道是管径为152.4mm的sc

12、hedule。海底 管道,从墨西哥湾的mobile863a平台到mobile864b平台,总长约58.05 km。试验所用缓蚀剂类型包括脂肪酸、烷氧基化的脂肪酸胺和/或酰胺，其碳原了数介于18-54 z间。 试验采用分批注入减阻剂的方式，并分批向管道中注入柴油以溶解在井头冷却器和管 道中可能聚集析出的金刚(diamondoid)o试验时间接近2 000 h,共进行4批天然气减 阻剂处理。20世纪末，挪威科技大学(ntnu)也开展了天然气减阻剂方面的研究工作。randi naess指出天然气减阻剂不仅可能用于新管道，而且也可能用于老管道的改造，而老管 道内是否有内涂层并不影响天然气减阻剂的应用。

13、他采用2种完全不同类型的减阻剂： 成膜剂和粘弹剂。当成膜剂沉积在粗糙管壁上，即可轻易降低管壁的相对粗糙度;而夹 杂在管输气体中的粘弹剂可限制亚湍流层的湍流漩涡的发展。基于在实验室小口径流 动环道中开展的天然气减阻剂性能测试试验，指出当管输介质粘性底层厚于聚合物的 长尾端时，减阻剂不能减少管壁与流休间产生的紊流漩涡，也不能改善流体的流动状态， 并且减阻剂浓度过高不利于气体管道减阻。2003年,guomin li等人指出松香是一系列 树脂酸(c19h29cooh)的混和物，松香胺衍牛物和咪呼嚇化合物作为酸化缓蚀剂已得 到广泛应用。研究证明，在咪畔咻体系中引入环状结构会明显增加咪哇咻的缓蚀作用， 同

14、时乂潜伏着作为天然气减阻剂的性能。2005年,olivares-xometl等人指出天然气减阻剂的减阻机理中最重要的一点是:减 阻剂在金属表面以物理吸附或化学吸附作用形成一层致密的弹性膜。目前，常用的天然 气减阻剂主要是脂肪酸类、脂肪胺类、氨化物和酰胺类化合物，一般认为，含氮有机化 合物是通过其分了内的氮原了在金属表面实现吸附形成弹性膜141。国内，李国平采用理论研究与湍流试验相结合的方法，通过分析流体与高聚物分 子的相互作用，发现高聚物减阻的机理在于能够有效地抑制管壁附近流体的径向脉动。 从原理上论证了天然气管道应用高聚物的可能性，他提出抑制气流的脉动，采用的方 法是：一、消除产生脉动的条件

15、，二、降低已有脉动的强度。高聚物分子必须具有单 长链，如果无长链或是多t链，则其外形不是长条形，在时均速度梯度不为零的区域 内不会受到剪切力矩的定向作用。流体脉动的最小单元不是单个分了，而是由许多分 子组成的大小不同的“流体微团”。当高分子链t度远大于流体微i才i尺寸时，高分子 才能减小径向脉动速度。显然，高分子链越2,能够受其影响的流体微团的尺寸越大， 数量越多。因此，只有分了量较大的高分了才有能力抑制径向脉动，减阻效果才较为 明显。123壁面振动减阻技术壁血振动减阻技术，近年來通过dns （direct numerical simulation,计算流体力 学屮级别最高的数值模拟）的研究结

16、果表明：壁而振动可以降低湍流强度和表而摩阻。 在雷诺数970019200的范围内可以实现10%15%的减阻效果。近年来，国内外学者采用dns计算并通过对dns数据的分析，进一步解释了 展向壁而振动的减阻机理。目前捉岀的机理主要包括“流向涡”机理和“条带”机理。 choi等人的研究表明：壁面作展向运动时，可以产生负展向涡，使得流向速度减少， 变小的流向速度阻碍了近壁区域流向涡的拉伸，因而减少了下扫事件的发生，从而使 壁而阻力减小。而“条带机理”则强调了展向壁而振动对近壁条带结构的影响。trujillo 等人和bogard等人通过实验研究表明：展向壁面振动可以消除近壁条带结构，从而 抑制了上掠和下

17、扫事件的频率，达到减小壁面阻力的效杲。除了上述两类减阻机理外, 述有学者从dns结果的统计平均角度入手，指出reynolds应力输运方程中压力变 形项的变化在展向壁而振动减阻过程屮起到了关键作用。此外国内还有学者基丁 fourier-chebyshev谱方法，对壁面作展向周期振动的槽道 湍流进行了数值模拟8m 4m4w 013>3? 40$4此(a) 丫 =9horseshoe, lonscci(b) 0</<100iix03(c) y =9, 0<y <40(d)x!8图1.1近壁区条带及涡结构分布81.3自激振荡器（脉冲流发生器）及其研究现状自激振荡，就是在不

18、需外加激励条件下，利用流体本身在合适的流体结构中 由特殊的边界条件下产生自发的振荡。流体自激振动是自然界的一个普遍现象， 许多吋候流体自激振动会产生破坏作用。例如飞机航行吋，飞机翅膀出现的湍流 抖振现象，海底电缆、输汕管线以及输气管各种阀门，rtr丁流体振动而导致破裂 等等，为了消除湍流影响，人们对各种引起流体自激振动的流动形式及机理进行 了广泛深入的研究。自激振荡器就是在这些研究基础上出现的一种方便节能的管道减 阻增输技术。根据现代声学理论连续流动的流体流经共振腔后将变成脉动流随着共振 腔的结构尺寸的变化脉动流的频率和幅度也随之变化但是至于共振腔为何能形成 自激振荡及脉动参数与共振腔结构尺寸

19、是何关系却存在各种理论没有共识。1.3.1脉冲流发生器机理对于流体的自激振荡，rockwell和nandacher根据流体诱发自激振荡的原因，将 其分为三类： 流体动力学激励。即通过剪切层不稳定性产生扰动，并使扰动放大，再经反馈 作用使扰动加强。 流体共振激励。即通过共振波效应引起脉动，在合适的流体结构中产生驻波将 压力放大。 流体弹性激励。即通过结构固体边界周期性变形來产生脉动。事实上，在实际 自激振荡脉冲射流中，并不是某一个原因单独起作用的，往往是三个原因共同发生作 用将连续射流转变为脉冲射流，其机制如图：图1.2脉冲流发生器机制图当泵将初速度为v的水射入口激振荡腔时，射流与周围的静止液体

20、就要被高速流动的水射流带动，射流与腔室液体z间就发生动量交换，从而形成貝有一定厚度的射 流剪切层，由于射流速度大，剪切层为紊流剪切层且是不稳定的，剪切层周围的流体 被夹带而产生涡旋，ii涡旋以涡坏的形式存在并通过射流运动在剪切层中自然形成一 定频率成分的轴对称扰动，并随射流一起与碰撞壁发生碰撞，从而在碰撞区诱发一定 频率的压力扰动波。该压力扰动波以高速向上游反射至初始分离区，该区对扰动相当 敏感，扰动波引起分离区产生新的涡量脉动，因为剪切层不稳定性对扰动具有选择性 的放大作用，在分离区发展起来的扰动，当它们向下游传播时，在不同的位置，不同 的频率成分得到不同程度的放大，故当以某一速度在剪切层内

21、随射流向卜传播的涡量 扰动满足其放大条件时，此扰动就在剪切层内得到放大，当放人后的扰动到达碰撞壁 时，它们受到约束，就有一反作用力施加在流体上，从而引起压力和速度的变化，在 碰撞区产生脉动压力场。这些扰动一方面通过腔室内流场反射到对扰动极其皱感的分 离区，引起分离区产生新的扰动，另一方面激励碰撞区射流剪切层的横向脉动，波及 射流核心使腔室出丨i处流体阻抗周期性变化，起到了调制流量作用，继而产生振荡的 脉冲射流。如果是有效反馈即正反馈，就使得分离区产生的新扰动与原扰动同相位， 增加了扰动的不稳定性，从而为维持或増大脉动提供了能量，如此重复上述过程，就 形成了射流、碰撞壁、腔室系统的振荡，经过扰动

22、的产生、放大、碰撞和有效反馈的 循环过程。从上述过程可见，产生白激振荡不可缺少的条件是扰动的产生，剪切层不 稳定性对扰动的放大和有效的反馈条件。剪切层不稳定性的有选择放人条件对系统产 生连续的口激振荡是必耍的，有效反馈对大幅度口激振动的产生更是至关重耍。另外， 由于腔室中的局部区域的压力较低，一该区域流体内部会出现汽体空泡形成空化现象。 i大i为空化的作用，腔室内为汽液两相流，射流束剪切层分离迹线与腔室内边界所围为 水蒸汽，故它就能起压缩容积的作用，剪切层的周期性横向脉动，促使它周围的汽体 也周期性压缩、膨胀，起到储存能量的作用。于是在一段近似“刚性”的射流束周围 作用有可压缩容积的“气体弹簧

23、”，故在腔室内形成一个振荡系统。为了使从碰撞壁 反射回的扰动在剪切层分离区引起的新扰动与原扰动同相位，则要求碰撞壁附近的扰 动波与剪切层分离处的扰动波有合适的相位关系。1.3.2现有理论目前，相关自激振荡器和脉冲流发生器的理论还没冇达成共识，但是冇一些学者 通过实验研究给出了一些能够阐述白激振荡器或脉冲流发生器某方而特性的公式。1、基于有关行波和旋涡波方法蒋卅:全认为引起自激振荡的共振腔起着简单谐振器的作用，当射入腔室流休的频 率与腔室结构，几何尺寸决定的旋涡波的频率接近吋，射流产生谐振，幅值被放大, 并一起向腔室出口传播。王嘉松利用水电比拟的流体网络理论得出了自激振荡脉冲射流喷嘴的固有频率的

24、计算式：式中:f系统固冇频率；a当地声速；a一前喷嘴111 口面积；v腔室容积；l前后喷嘴之间长度。2、基于剪切层扰动方法杨秀夫9认为，由于剪切层不稳定性对扰动具有选择性放大作用，故当以速度 vc在剪切层内随射流向下游传播的涡量满足其放人条件（相位、频率）吋，则此扰动就 在剪切层内得到放人，放大后的扰动再次与下碰撞壁碰撞，又重复上述过程，从而导 致碰撞区剪切层大幅度横向脉动，波及射流核心，导致腔室出口处流体阻抗周期性变 化，从而调剂流量形成脉动流。grow s.c| 10, champanef.h, chen和rockwell等人在关丁剪切波整流方面的研 究表明:自由剪切层的不稳定性对扰动的放

25、大与初始扰动的幅值、马赫数、雷诺数无关, 仅取决于下式定义的strouhal数，当扰动频率满足关系式吋/=平），剪切层不稳定 性对此范围的扰动具有放人作用。king boyle> mortin和naudaseher等学者对具有 扰动最大放人模式的不同剪切层碰撞结构的振荡频率建立了数学模型。karameheti> sarohia> hussain和zaman分别对射流一壁或腔室以及混合层一壁振荡系统进行了实 验研究，得出了振荡频率随腔长和射流速度的变化趋势。rockwell.d和kinsely.c发 现，有碰撞壁时在碰撞壁附近形成了有序旋涡。由于射流与碰撞相互作用形成的旋涡 到

26、达碰撞壁处时，经过完全阻断、部分阻断及不阻断等过程，从而导致碰撞壁处流体 阻抗的周期性变化。无碰撞琏吋，流场杂乱不规则，从而说明碰撞壁的反馈作用。美 国流航公司的johnson和conn.a.f.最早提出了利用流体自激振荡来产生振荡气蚀射 流。3、基于稳流分形特征方法水利部农村电气化研究所的汤一波利用分维数的研究方法，分析了脉动压力的紊 流分形特征，证明了紊流内在有序性的存在。分维数是分形不规则程度的度量，与自 相似规律紧密相关。所谓分形，是一种认为混沌现象产生于有序规律z中，在所有表 面的混沌现象背后都隐藏着尺度大小不同的规律性结构的观点，分维数可有经典的整 数维概念用自相似性扩展而來，不过

27、对于自然界中广泛存在的绝人多数分形图形或结 构，需要用测量的方法确定分维数，常用的方法是盒了覆盖法和关联维数法，研究者 应用关联维数法证实紊流的分形特征，计算了脉动压力信号时间序列的关联维数，从 而为我们描述紊流的基本运动形态指明了所需变量的最小数fl o4、基于离散涡旋模型方法重庆大学的廖振方教授所做的利用简单的离散涡旋模型，研究高速振荡脉冲射流 振荡腔内不同碰撞壁与涡旋的相互作用，他假设剪切层任意位置的宽度与该处理喷嘴 出口z间的距离成正比，在剪切层以外的流体不受混合过程的影响，流动是无旋的, 腔内剪切流动处理成二维流动，流体的可压缩性和涡旋尺寸忽略不计。这样的处理结 杲与指导实际应用还存

28、在着较大的差距，仍需耍进一步改进。5、基于流体诱发自激振动rockwell和naudaseher,根据流体诱发h激振动的原因，将流体的h激振动分为 三类： 流体动力学(fluid 一 dynamics)激励，即通过剪切层不稳定性产生扰动并使扰动 放大，在通过反馈作用加强； 流体共振(fluid resonant)激励，即通过共振波效应引起脉动，在合适的液体 结构屮产生驻波，将压力放大； 流体弹性(fluid elastic)激励，即h激振动靠结构固体边界周期性变形产生。6、基于水声学的方法80年代初，美国tracor流休公司conn和johnson川等人利用水声学的方法研制 了声谐自振空化射流

29、，英屮风琴管喷嘴和赫尔姆兹振荡腔喷嘴是最常见的两种自激振 荡空化喷嘴。1.3.3现有实验重庆人学研究生潘志敏在2006年做过小管径自激振荡器实验1。如图1.3为装置 实物图。图1.3实验系统图其白激振荡器结构参数为：现场试验的输气管道的内径为 75mm, dl二50mm, d2/dl=1.2, d/d=8.8, l/d 1=2.4, 收缩角15° ,扩散角20° o式中:dl上喷嘴直径，mm； d2卜喷嘴直径，mm；d腔室直径，mm； l腔长，mm。输气管路4 管路系统2工一:3 管路系统1放空管图1.4试验系统管道简图1油气井；2、3、7流量计；4闸阀；5管道增输器；6稳

30、压罐；8锅炉 房试验时采用了两套系统，一套为常规管路系统1 （以下简称系统1）,另一套是在 主输气管旁路上安装管道增输器5的管路系统2（以下简称系统2）。系统1和系统 2通过闸阀4可以互相倒换运行。试验时首先按系统1方式连续工作三昼夜，分别 测定井口 1、监控点2和锅炉房8处的压力和流量。然后倒换到系统2方式连续 工作三昼夜，分别测定井口、监控点和锅炉房处的压力和流量。此实验得到如卜结杲：增输器在运行中发出的啸鸣声大约4060分贝，这种声音和振动使现场实验人 员感觉很舒服，哨鸣声越清脆，实验效果就越好，这是本装置运行中的一个重要特点。 增输器的振荡频率为几十到一百多赫兹，用手触摸有振动感，说明

31、木文研究设计的管 道增输器具有良好的自激振荡脉冲射流的效果，能够较好的应用于管道气体的输送。 另外，在监控点处压力降几乎不变的情况下，脉冲流的减阻效应很明显，增输器开通 z后数分钟，输气量就开始增大，集气站内的汇管压力、输气管线起端压力接着出现 下降的现象。1.4本文研究内容据调研发现，目前管道增输是一个急需解决的难题。由于管道输运的方便输送量 大，地形因素影响小，所以如今90%的天然气都是靠管道输送。同时，管道输送也有 其难点，那就是流体在输送过程中由于阻力的影响，使得其压强茅越來越小，输送效 率降低。为了解决这个问题需要在每个一定距离的地方建立增压站来保持管内流体压 差。但是增压站需耍维护

32、并且成本就为昂贵，所以增输减阻的重耍性越来越明显。增输减阻主耍有三种方法，即内涂层减阻，减阻剂减阻和壁面振动减阻。内涂层 和减阻剂减阻这些年来都冇所发展，但是内涂层减阻和减阻剂减阻都有一定的适用范 帀，并且相对而言较为麻烦。因此大力研究壁而振动减阻是今后的一个大趋势。脉冲流发生器或者口激振荡器就是建立在壁面减阻的基础上的一种坏保、节能和 经济的新技术。脉冲流发生器主耍通过两个方而达到增输减阻的h的： 通过口激振荡腔室，将管道内流体的稳定运动变成脉冲流形式的运动，从而增 大了压差幅值进行增输减阻。 在h激振荡腔室内，由于漩涡的脉动等现象，使得脉冲流发生器发生振动，然后由壁面振动减阻來达到减阻的目

33、的0在明确了这些基本要点之后，本研究针对小管径脉冲流发生器和大管径脉冲流发 生器进行流场分析。 首先使用fluent对小管径脉冲流发生器进行二维对称流场稳定流分析，得到其 速度幅值图、速度矢量图、等压线、沿对称轴向速度分布和沿横截面的压强分布，并 分析其特征。然后对大管径脉冲流发生器进行同样的分析，得出大管径脉冲流发生器 的速度幅值图、速度矢量图、等压线、沿对称轴向速度分布和沿横截面的压强分布, 分析其特征，并和小管径脉冲流发生器的速度幅值图等作比较，得出其异同点。 最后使用algor分别对小管径脉冲流发生器进行非定常流场三维分析。由于三 维网格是非对称的，所以这个更接近于实际。通过观察发现一

34、些二维流场中说没有的 现象，如环向漩涡。第2章管道脉冲流发生器的结构参数脉冲流动是口然界和工程实际中常见的流动现象，如人体内的血液流动，容积式 泵和往复式压缩机输出流体的流动等。脉冲射流区别与连续射流的特点是其具有高度 的聚能作用，能够提高工作效率。研究结杲表明：壁面振动能降低湍流强度和表面摩阻，近壁区平均流向速度梯度 减小，中心速度会增大，因而抑制了与流向涡相关的流体上抛和卜扫运动，减阻效应 比较明显。2.1脉冲流发生器增输原理脉冲流发生器主要通过产生脉冲流增加压差幅值和壁而振动两种方式达到减阻增 输。2.1.1自激振荡脉冲射流对输气量的影响2.1.1.1流体流动的阻力az流动方向图2.1与

35、管道同轴的任意圆柱流休任取一个与管道同轴的圆柱形的水平直圆管，如图2.1,略去重力的影响，因为圆 柱受两端压力差和圆柱外流体产生的阻力的作用，所以根据力平衡口j得水平管中流体 的流动阻力和组成如下式所示5：(2.1)(2.2)2irrazt + nr2ap = 01 rap2z式中：ap=pl-p2>0r流体柱半径，m；丫一流体柱四周表面上的轴向切应力（单位表面积受到的流动阻力），pa； z流体柱t度,m：p沿流体柱的压降差，pa；(2.3)一般情况下，轴向切应力由两部分组成，即t = t1 + t2t1与流体时均运动状态有关，称为轴向摩擦应力;t2与脉动和旋涡有关，称为湍流 附加应力。

36、根据牛顿内摩擦定律，轴向摩擦应力为t1 =卩譽(2.4)将其代入(2.3)可得：t = h + t2(2.5)曲公式(2. 5)可得知，在保持时均速度梯度不变的情况下，降低流体粘度即可减小 阻力。但是，对于天然气管道,降粘并非是有效的节能降耗方法，其原因有两个，一 是降低天然气粘度通常需要降低天然气温度，除非是将高温天然气散热降温到周围坏 境温度，否则降温能耗的增加一般远人于降粘减阻实现的能耗减少；二是天然气管道 大多处于粗糙区(阻力平方区)湍流，其阻力系数与雷诺数无关，即当管径、输量不变 时与粘度无关。2.1.1.2压降与输气量的关系根据天然气流量公式aga方程11：22p57.94ygpv

37、eg rztgc(2.6)q =对于水平管,s=0, az = 0,方程(26)可简化为:)将(2.7)改写并简化，得：(2.8)(2.9)q=阿-於河q 7 lfq在d、l、f和耳不变的情况下，可再简化为: q = (fpi 一 pd式中：pi始端压力；p2监控点处压力；l管道长度；d管道直径；f阻力系数；11考虑温度，天然气比重等的一个系数。由式(2.9)可知，捉高压差可以捉高系统的输气量，因此脉冲流发生器可以捉高管路的输气量。2.1.2壁面振动对输气量的影响2.1.2.1边界层和壁面磨阻粘性流体平滑地绕流某静止物体，在紧靠物体表而的薄层内，流速将由物体表而 上的零值迅速地增加到与来流速度

38、v0同量级的大小。这种在大雷诺数下紧靠物体表 而流速从零急剧增加到与来流形同量级的薄层称为边界层。边界层的基本特征如下：1、与物体的长度相比，边界层的厚度很小。对于流体绕流平板情形，设6(x)为边界层厚度，1为平板的板长，则冇：忘忌。2、边界层内沿边界层厚度方向的速度变化非常急剧，速度梯度很大。3、边界层沿着流体流动的方向逐渐增厚。4、由于边界层很薄，可以近似的认为，边界层各截面上的压强等于同一截面上边 界层外边界上的压强。5、在边界层内粘性力和惯性力是同一数量级。6、边界层内流体的流动有层流和湍流两种流动状态，判断其状态的标准为雷诺数： rex =晋。式中：x为距物体前缘点的距离；v为边界层

39、外边界上的速度；v为流体的运动 粘度。h然界屮和工程屮的流动多为湍流，湍流状态屮流体在流动表而形成的阻力比在 层流状态要大的多。对于大多数动力运输工具而言，边界层产生的阻力是阻力的主要 来源，其屮摩擦阻力又占据了主要部分。从流体边界层的角度岀发，流体减阻机理可 以分为两大类，一类方法是改变边界层状态，如延缓层流向湍流的转换或抑制边界层 的分离而达到减少阻力的作用；另一类方法是改变湍流边界层结构，如控制湍流边界 层近壁区域的流向涡和条带结构而达到减阻的作用。对于气体的管道输送而言，气体在管道屮的压力损失是一个重要的影响因素。湍 流所造成的气体能量损失而导致的压降增大的比层流快，特别是高雷诺数区，

40、由于涡 流和其它一些无规则运动的存在，压力损失将更大。而引起涡流的主要原因是输气管 道内表面的粗糙度。在管道加工过程小，尤其是投入使用z后，由于加工精度、刮痕 以及管道腐蚀、磨蚀等都可造成管道内表面的粗糙度增大。2.1.2.2壁面振动流体管道的振动通常是一种典型的流固耦合振动，管内流体振荡引起管道产牛机 械振动，而管道机械振动反过来又会影响管内流体的动态行为。研究结果表明：壁面振动能降低湍流强度和表面摩阻。壁面振动dns试验表明 近壁区平均流向速度梯度减小，中心速度会增大，壁面振动对湍流脉动有明显的抑制 作用，雷诺应力大大减小。口前提出的机理主要包括“流向涡机理”和“条带机理”。 choi等人

41、的研究表明，壁面作展向运动时，可以产生负展向涡，因而使得流向速度 减小，变小的流向速度阻碍了近壁区域流向涡的拉伸，因为减少了下扫事件的发生, 从而使壁面阻力减小。而“条带机理”则强调了展向壁面振动对近壁条带结构的影响。 trujillo等人和bogard等人通过试验研究表明，展向壁面振动可以消除近壁条带结构, 从而抑制了上掠和下扫事件的频率，因而达到减小壁面阻力的效果。除了上述两类减 阻机理外，还有学者从dns结果的统计平均角度入手，指出reynolds应力输运方 程中压力变化项的变化在展向壁面振动减阻过程中起到了关键作用。上述观点从不同 角度揭示了展向壁面振动引起的减阻机制。因此可以认为管道

42、增输器提高输气量的机理就在于它所产生的振动干扰了准流向 漩涡的再生循环，减小了表面磨阻，使得气体在边界层处的的流态发生变化，同时由 于脉冲流增大了管道的幅值压力，使得管道内气体的流速加快，输气量增大。2.2结构参数设计的选择根据专利12中所述，脉冲流发生器结构如图所示：图2.2结构说明图经调研发现，影响自激振荡的主要结构参数冇无量纲腔长l/dl,上下游喷嘴直径比d2/dl,碰撞壁形状，腔室直径d,腔室形状等1。参数如图2.2所示。2.2.1腔长变化对脉动的影响根据以前的实验成果，故试验屮先取d2/dl=1.2,首先考虑腔长。腔长过短不能形 成剪切层或剪切层的不稳性对该范围的扰动不敏感，因为下喷

43、嘴的直径d2大于上喷 嘴的直径dl,从上喷嘴喷出的射流尚无足够的扩散即穿过下喷嘴d2而无射流剪切层 的碰撞，不能形成自激振动。腔长过大反馈的扰动不能有效激励分离区新涡量脉动的 产生。因此腔长大小与剪切层不稳定的发展和扰动反馈密切相关，它是形成门激振荡 的关键参数乞一。根据前人的实验6,无量纲压力均方根随腔长的变化如图23所示。q >» « 1 1 0 04 08 l2 1.6 i 24 28 3,2 16 4 4. 4 4.8 5.2图2.3无量纲压力均方根值随腔长的变化当腔长由零逐渐增大时，射流由稳定转向脉动。当l/dl<1.0时，振荡频率高，脉 动幅值很小，

44、当i.0vl/dlv2.4时，脉动幅值突然增大，且呈现一定的周期性，当腔 长l/(11=2.4吋，脉动幅值达到最大，当l/dl继续增大，脉动幅值开始下降，当l/ dl=4.8时发生啸鸣声，脉动幅值骤降。当l/ dl大于5.6时，脉动儿乎消失，在脉 动幅值比较高的位置处，脉动呈现出一定的周期性，且包含的频率成成份很多，但在 其它位置，脉动不太规则。这进一步说明选择合理腔长対脉冲射流的形成至关重要。 另外当保持脉动幅值最大处的位置不变时，研究了压力变化对口激振动的影响。当压 力从零逐渐增大，脉动开始出现，继续增大压力，脉动愈加激烈，脉动幅值增加。由此可知：截锥形碰撞璧的无量纲压力均方根值在l/dl

45、 =2.4左右取得最大值，因此为了产生较大增幅的口激振荡效果，木设计中的振荡腔室选用l/dl =2.4o222上、下游喷嘴直径比d2/dl的影响在自激振荡脉冲射流装置、结构参数、系统压力和流量保持不变的条件下，研究 了不同喷嘴直径比对自激振动的影响。由实验知当d2/dl<l时，从出口喷嘴射出的 射流脉动幅值很低，分辨不出是自激振动还是射流的湍流脉动，显然不适合我们产生 自激振荡脉冲射流的设计要求。当d2/dl>l时装置开始产生强烈自激振动，脉动幅 值较高，但当喷嘴直径比d2/dl=1.2吋，效果最佳。为此在提高管道增输器的输气性 能，木实验研究屮所采用的自激振荡脉冲射流装置下上游喷

46、嘴直径比为d2/dl=1.2o2.2.3碰撞壁形状影响在分离区产生的涡量脉动或离散涡旋随射流向下运动，并在下喷嘴岀口位置处与 碰撞壁相互作用，引起压力扰动波向上游反射，并对射流中心形成阻尼作用。故碰撞 壁的形状宜接影响扰动反馈和压力振荡强度，对自激振荡脉冲射流的形成起着至关重 要的作用。因此可以断定碰撞壁的形状对自激振动有很人影响。在本设计中选用的碰 撞壁形状为锥度为110°的截锥形碰撞壁。4、振荡腔室的宜径d组成自激振荡的频率成份很多，各频率成份所对应的脉动幅值不同，在不同位置， 不同频率的扰动得以不同程度的放人，这就反映了剪切层不稳定性对扰动冇选择的放 人作用，当扰动频率接近谐振

47、腔的固有频率时，此压力扰动就被急剧放人，产生强烈 脉动，说明谐振腔具有激振作用。腔室直径是主要参数之一。腔室无量纲直径d/dl 和下游喷嘴无量纲长度la/dl参数的选择对管道增输器的增输性能冇重要影响。实验 表明：当d太小时剪切层要受壁面限制，旋涡不能得到自由发展，在向下游的发展 过程中旋涡逐渐溃灭，不能产生重要的涡旋配对现象而形成层流稳定流出，从而就不 能同下游碰撞壁发生碰撞，就无法形成反馈扰动波，这样就不能形成脉冲射流或者脉 冲射流不明显。随着d/dl比值增大射流强度增大，但在d/dl =8.8时强度达到最大， 最后逐渐趋于平稳，但d a大将增加装置的体积和重量，没冇实际意义。因此选择 合

48、适d也很重要，参考前人实验结果，本课题研究中，所取的d/dl介于510之 间。2.3本文所分析的小管径和大管径增输器的结构图如图2.4和2.5所示，为本文分析的小管径脉冲流发生器和大管径脉冲流发生器的 尺寸图。管径：75mm；上喷嘴锥度：13°；上喷嘴出口直径：50mm；自激振荡腔室直径：225；腔长：120；出口直径:60；出口锥度：30%管径：300mm；上喷嘴锥度：13°；上喷嘴岀口直径：125mm；口激振荡腔室直径：625；腔长:396；出口直径：198；出口锥度：30%第3章湍流的基本方程与数值模拟本章主要阐述湍流的基本方程以及湍流的数值模拟的几种窝粘模型。3.1

49、湍流运动3.1.1湍流运动的特点1、湍流的基本特性之一是随机性这种随机性使得湍流难以在两次重复实验屮得到完全相同的结果。对湍流进行重 复测试，即便在同一时刻和同一空间点所测得的的瞬时流速也是不相同的。与投掷硕 币十分类似。湍流具右随机性的另一层含义是：湍流在一些情况下存在拟序性，即在小尺度随 机运动的背景上，存在某种非常稳定的拟序结构，但拟序结构产生的时间和空间位置 却仍然具有随机性。图3.1圆管湍流中心流向速度的两次吋间序列图3.1是/?e=5200的圆管湍流流动，圆管中心处流向瞬时间序列的两次测量结果。 可以看出，两次采样的速度序列及不规则，速度值在一平均值附近随机涨落，且两次 实验结果不

50、重复。2、特征尺度的多重性根据reynoulds的观点，湍流脉动貝有很宽的频谱。在湍流中，非线性机理不断 产生越来越小的涡旋，形成从大到小的涡谱系。最大涡的特征尺度可以与流动域的特 征尺度相当，它的结构与流动产生的外部坏境密切相关。湍流中最小涡尺度称为 kolmogorov尺度，由于能量在最小涡中耗散，也称为耗散尺度。雷诺数越大， kolmogorov尺度越小。通过对湍流进彳亍频谱分析(spectmm analysis),可以得到不同湍 流各自的频谱图。3、貝有很强的三维涡量脉动能量从大涡向小涡传递的过程，主耍是通过涡管的拉伸来进行的，根据helmholtz 定律，这是只有在三维流动中才能出现

51、的现象。如果流体运动具有随机性但没有三维 涡量的脉动，则这种流动一定不是湍流。比如，在海面上随机波的运动具有明显的不 规则性，但由于它是无旋的，因此随机波并不属于湍流的范畴。4、扩散性在湍流中，动量、质量和热交换的速率比层流扩散(分了扩散)的速率大几个数 量级，这导致了湍流的许多重耍应用。象锻烧炉内湍流燃烧和传热的速率比蜡烛燃烧 的层流火焰相应的速率快得多。如果一种流动只有随机性而没有扩散性，则一定不是 湍流。比如，喷气飞机的凝结尾流，除了在离飞机很近的一段尾流是湍流外，其余几 里长的部分直径几乎不变，没有向周围介质扩散的特性，因此不是湍流。5、能量的强输运性湍流中能量不断地由大涡向小涡逐级输

52、运，通过与次级尺度涡的相互作用，不断 把动能传递给小尺度的涡。根据taylor(1953)的观点，大涡向小涡输运能量的过程中， 速率与大涡时间尺度加的倒数成正比。这里/是湍流大涡旋的尺度或积分尺度。由 于大涡单位质量的动能为0.5u2,能量传输率应为£/1。在某些剪切湍流中，也会出现 能量的反向传递。6、耗散性在最小尺度涡的脉动中，能量不断被粘性转换为热，从而不会进一步出现更小乃 至无限小尺度的运动。为补偿粘性耗散，湍流需要不断补充能量，湍流中能量耗散率 应与能量传输率相当，否则将很快衰减。常见的随机声波(噪声)也是一种随机运动， 但它的粘性损耗很小，本质上是非耗散的，因此不属湍流的

53、范畴3.1.2湍流的统计平均方法由于湍流运动的随机性，要准确描述和预测每一瞬时、每一空间点上的流动物理量是极为困难的。虽然湍流的瞬时流场是极不规则的，但它具有规则的统计平均特性。 因此统计平均是湍流研究的重要方法，统计平均方法有很多种，在湍流研究中最常用 的平均方法有三种：时间平均法，空间平均法和系综平均法。1、时间平均法：在湍流场中某一点工处，测量流动物理量弘随时间的变化，其时均值的定义为：u(x; t, t0) =o+tu(x,t)dt如图32所示。可见在点工处的吋间平均量通常还与实行平均运算的时间区间t和 该区间的起点心有关，这样的结果对复杂问题的简化并未带来实际的好处。当吋间区 间厂取

54、得足够长，其平均值与参照吋刻fo无关，图3.2时间平均示意图以上说明，湍流的平均特性不随吋间变化，则称这样的湍流为统计定常的，简称 定常湍流。例如，圆管湍流屮保持流量和驱动压差不变，则管内的湍流流动是定常湍 流。显然，时间平均只有用于统计定常的湍流才能使问题真正得到简化。2、空间平均法湍流的随机性不仅表现在时间上，同时也表现在空间分布上。如图3.3所示，圆 管屮的湍流流动，若沿圆管的轴线量测各点的轴向流速，可以发现任意时刻沿轴线的 速度分布很不规则在管道轴线上取长度为厶的一段，并在厶上取空间平均：v1 fhv nfv vv：hhllxq% + l图3.3空间平均示意图当厶足够长时，其平均值与参

55、照点x0无关1 - l- u(jo+ u(x,t)dx(3.4)即湍流的统计特性不随轴向位置的改变而改变，则称这样的湍流在轴向是统计均 匀的。严格來讲，空间平均只适用于统计均匀方向。若湍流场在空间三个方向上都是 统计均匀的，则称其为均匀湍流。实际流动屮，很少有完全均匀的湍流。但是有不少可以近似为均匀湍流的例子， 例如风洞工作段的核心区，这里的平均流速等于常数，流动中的湍流脉动口丁近似为均 匀湍流。3、系综平均法对于非定常非均匀的湍流流动，则只能采用对于随机变量的系综平均法，即对重 复多次的实验进行算术平均。对于某一种湍流流动，在实验室中采用相同的实验条件 作大量的实验，在每一个实验屮在同一位置

56、和相应吋刻测出相应物理量g的数值，将 所有数值进行算术平均：<q> (x,t)=律器(x,t)(3.5)式中<g>为物理量g的系综平均值，q为第i次实验所测得的物理量的值，n为 重复实验的次数。3.1.3平均运动方程和脉动运动方程根据统计平均方法，湍流速度和压强都可以分解为平均量与脉动量之和：vi(x, t) =< vj > (x, t) + v/(x, t)(3.6)p(x, t) =< p > (x, t) + p'(x,t)(3.7)这种分解是雷诺首先提出來的，称为雷诺分解。下面我们分别导出湍流平均量<«>、&

57、lt;f>和脉动量vj p所满足的控制方程。不可压缩牛顿流体的流动满足ns方程和连续方程，在直角坐标系中写成分量形式为dt叫v竺 p oxj dxj dxavj dx0(3.8)(3.9)其中为为©方向速度分量，p为压力，“为流体的密度，u为流体的运动粘性系数。对其求平均罟+%瓷=-誥+"融+齐 (3-10) v 学 =0ax.(3.11)遵照求导运算和平均运算可交换的原则<vi >=£<vj>dxidxi(32)利用连续方程，平均运动方程中的对流项的平均值v 心 >=v 血 _v些j dxjdxj1 oxjdxj(3.13)根据平均的性质,并考虑到雷诺分解，可得v律>=vvj>半+上严丿 dxj丿dxjdxj(3.14)将各平均量代回平均后的运动方程，并稍加整理后可得：葺产+v vj >牛-呼+ v普+v a > _畔竺 (35) ot丿 ox；p dxjox； dxj “ox；平均的连续方程为：半=0dxj(3.16)雷诺方程也可写为:赛+t>誉卜誉+vfi>