基于多尺度相干结构的输气管道壁面摩擦阻力检测

基于多尺度相干结构的输气管道壁面摩擦阻力检测

1壁湍流缓冲层中相干结构疗效机理壁流是指在运动过程中，在接近固体壁面附近区域，由于运动不稳定性的作用，使平均值随着空间方向（方向）的坐标而变化迅速（梯度较大），并突然移动，导致极端混乱。这是自然界和工程科学的典型流动状态。同时，由于流量结构的极端复杂性，它也是一个尚未解决的问题。壁湍流在管道中虽然只有径向很薄的一层区域,但管道输运中有很多问题都与壁湍流中流动结构的产生、演化、发展、相互作用密切相关.它一方面可以使壁面摩擦阻力大幅度增加,使管道输运的能耗加剧、管道输运的效率下降、管道壁面磨损严重,降低管道使用寿命;另一方面还可以使管道压力波动加剧,幅值提高,随机性增加,管线振颤加剧,降低管道流动稳定性,从而对管道输运系统的安全和可靠性构成严重威胁.因此,从机理上分析壁湍流层中的流动结构及其形成原因,进而提出控制壁湍流的有效方法,不仅是湍流基础研究的前沿课题,而且也是工程技术中亟待解决的重要问题.而控制壁湍流的主要目的之一就是减小壁面摩擦阻力,降低管道运输能源消耗,提高管线输运效率,延长管道使用寿命,提高管道输运系统运行的安全性、稳定性和可靠性.湍流边界层中近壁区域缓冲层混乱的流动现象和复杂的结构是壁面摩擦阻力大幅度增加、管道输运的能耗加剧的关键原因,其中低速条纹结构的拟周期猝发现象是其物理基础.美国斯坦福大学的Kline对湍流近壁区流动结构进行全面细致的观测工作,发现低速条纹的抬升在外区形成高剪切层,使低速条纹发生振荡,然后低速流体向外区喷射、使条纹结构破碎,接着一股来自外区的高速流体冲入内区,使由条纹破碎引起的紊乱流动变得比较平稳.并将这一系列的过程称为相干结构的猝发.相干结构的发现是湍流研究中的一次重大突破,极大地改变了对湍流本质的传统认识,标志着对湍流本质的认识从完全无序的阶段进入了无序中的有序的新阶段.现在已经公认,相干结构是湍流中的重要结构,对湍流中动量、能量和质量的输运,以及对湍流的产生、维持、演化和发展都起着重要作用.相干结构的理论和实验研究,为认识湍流的本质并最终达到控制湍流的目的开辟了新的途径.壁湍流在管道输运中引起的最严重的问题就是壁面摩擦阻力大幅度增加,使管道输运的能耗加剧,管道输运的效率下降,管道壁面磨损严重,降低管道使用寿命,对管道输运系统的安全和可靠性构成严重威胁.特别是在石油和天然气的输运过程中,这个问题尤为突出.输运管道壁面减阻问题是湍流工程应用研究的前沿课题,目前的研究都是基于对壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程的理论与实验观测上的认识.普遍的观点认为壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程是产生湍流的根本原因,也是壁面摩擦阻力大幅度增加的根本原因.壁湍流缓冲层中相干结构猝发过程产生的混乱流动现象和复杂流动结构导致了管道输运中在管道周向和径向上不必要的动量和能量消耗.要减小壁面摩擦阻力,降低管道输运的能源消耗,就需要控制湍流的产生.控制湍流的产生就需要抑制缓冲层中相干结构猝发过程,增加壁湍流黏性底层的厚度,保持壁湍流近壁区域流动状态的平稳和有序,减少缓冲层混乱的流动现象和相干结构猝发的发生,以减少对管道输运不必要的能量消耗.因此一般控制湍流运动的方法都是从控制相干结构入手,通过多种途径来控制相干结构的猝发.2壁湍流对数律平均速度剖面测量壁湍流的流向平均速度沿法向剖面的测量是一项比较成熟的技术,经过近一百年的研究和探索,其对数律平均速度剖面已经得到广泛的公认.特别是近三十年来,热线测速技术(HWA)的广泛使用和激光测速技术(LDA)的成熟与发展,实现了对壁湍流流场无干扰或微小干扰的平均速度剖面测量,极大地提高了壁湍流对数律平均速度剖面测量的真实性、准确性和可靠性.壁湍流对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度u*,流体黏性系数ν等内尺度物理量的关系为其中,U(y)为湍流边界层流向平均流速,y为测量点的壁面法向坐标,,A,B为已知常数,ν为气体动力黏性系数.壁面摩擦速度u*与壁面摩擦切应力τw的关系为在准确测量壁湍流对数律平均速度剖面的基础上,通过非线性迭代拟合其中的参数u*,利用关系式(2)可以准确测量湍流边界层的壁面摩擦阻力τw.壁面摩擦系数Cf定义为3实验装置和测点布置实验是在天津大学流体力学实验室低湍流度风洞中完成的.风洞为木质结构的直流闭口抽吸式风洞,实验段长度4.5m,横截面为切角的矩形,高0.45m,宽0.35m,实验段风速在0.5m/s和50.0m/s之间连续可调,原始湍流度小于0.07%.实验用管道固定在实验段的水平中心,与来流方向平行,正对来流方向的管道壁前缘为楔形,管道长L=2000mm,直径350mm,厚5mm,测速仪为美国TSI公司IFA300型恒温热线风速仪,在距离管道前端X=1500mm处用TSI-1210-T1.5型单丝热线探头进行测量,热线敏感材料为直径2.5μm的钨丝.实验中测量了从0.5mm到20mm间不等距的100个测点,沿管道壁的径向精细测量流向速度分量的时间序列信号,采样频率100k,每个测点数据量4194304.4壁湍流平均速度剖面为了配合西气东输工程,采用管道壁面涂料减阻技术,用平均速度剖面法测量壁湍流的壁面摩擦阻力,对喷刷聚氨酯涂料的管道壁面减阻性能进行了比较实验研究.在风洞中用两个雷诺数吹风,各得到两条壁湍流平均速度剖面,如图1所示,说明本流场符合标准的湍流边界层流场.通过非线性迭代拟合其中的壁面摩擦速度u*,用平均速度剖面法测量壁湍流的壁面摩擦阻力τw和壁面摩擦系数Cf.表1给出了实验条件中的自由来流速度U和实验雷诺数Re,其中实验雷诺数,D为管道直径.表2给出了不同实验条件下测量的壁面摩擦速度u*,壁面摩擦阻力τw和壁面摩擦系数Cf.5壁湍流相干结构变形控制机理图2给出了用子波分析结合条件采样方法在管道表面喷刷聚氨酯减阻涂料前后距离壁面在y+=22附近提取的1～6尺度相干结构的条件相位平均波形的比较.从图中可以看出:平板表面喷刷减阻涂料以后缓冲层距离壁面最近点的第1～6尺度相干结构的条件相位平均波形显著改变,从原来反对称形状变为具有M形状的准对称波形.壁湍流相干结构从拉伸-压缩-拉伸的反对称变形过程转变为压缩-小拉伸-小压缩-拉伸的变形过程.原来相干结构猝发过程中高速流体从外区向内区向下扫掠使当地速度提高的加速过程明显受到抑制和破坏,由于高速流体从外区向内区向下扫掠的过程是壁湍流摩擦阻力产生的主要过程,扫掠过程受到抑制就意味着壁面摩擦阻力减小.其物理原因是平板表面喷刷减阻涂料增加了平板表面的弹性,高速流体从外区向内区向下扫掠时弹性壁面产生对流体的反作用力使扫掠过程受到缓冲,降低了扫掠过程的强度.这是该区域壁面摩擦阻力减小的根本原因.6效果比较