阅读说明：本技术 一种基于边界涡串减阻的管道及其应用 (Pipeline based on boundary vortex string drag reduction and application thereof ) 是由 李志平 潘天宇 贺龙 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种基于边界涡串减阻的管道,包括V型槽,若干所述V型槽均匀环设于所述管道内壁上,且所述V型槽布置方向与所述管道内流体的流向相互垂直,所述V型槽采用等腰直角三角形结构。使用本公开结构时,在所述V型槽内能产生稳定的边界涡,以明显增加减阻效果。(The utility model provides a pipeline based on boundary vortex cluster drag reduction, including V type groove, it is a plurality of even ring in V type groove is located on the pipeline inner wall, just V type groove arrange the direction with the fluidic flow direction mutually perpendicular in the pipeline, V type groove adopts the isosceles right triangle structure. When the structure disclosed by the invention is used, stable boundary vortex can be generated in the V-shaped groove, so that the resistance reduction effect is obviously improved.)

一种基于边界涡串减阻的管道及其应用

技术领域

本公开涉及管道减阻的技术领域，尤其涉及一种基于边界涡串减阻的管道及其应用。

背景技术

在现有的管道减阻技术，大部分是通过在管道内额外注入物质、或者利用疏水表面等减阻。例如：

1、电磁力减阻，其基本原理是电磁板被激活后可以在弱电解质溶液中形成洛伦兹力(即电磁力)，进而改变物体表面边界层的结构，影响流动速度，实现表面减阻的目的。缺点：成本高，装置复杂，需要在管道注入弱电解质溶液，减阻效果具有不确定性。

2、聚合物添加剂减阻，其基本原理是在流场中添加一定的聚合物能够影响湍流拟序结构，降低湍流猝发的频率和强度，进而实现降低表面阻力的目的。缺点：成本高，需要在管道注入聚合物添加剂。

3、微气泡减阻，其基本原理是在湍流边界层中注入微气泡，由于其与流体介质在密度、粘度等参数不同，故两者之间会发生相互作用，进而达到控制边界层流动、降低表面阻力的目的。缺点：需外额外的装置不断生成气泡、成本高。

4、疏水表面减阻，其原理是流体之间形成气液接触界面代替液固界面，减少了与流体与固体的接触面积，从而达到减阻效果。缺点：疏水表面材料难以制造。

由此可见，现有的管道减阻技术需要额外注入物质、消耗额外的能量、或者装置难以制备、成本高、减阻效果不稳定。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种成本低、减阻效果好、容易制备的减阻管道，利用特定的沟槽结构在槽内形成漩涡，从而使得流动涡串边界代替固壁边界，进而产生高效减阻效果。

根据本公开的一个方面，一种基于边界涡串减阻的管道，包括V型槽，若干所述V型槽均匀环设于所述管道内壁上，且所述V型槽布置方向与所述管道内流体的流向相互垂直，所述V型槽使得流体在槽内形成稳定的漩涡。

根据本公开的一个方面，所述V型槽采用等腰直角三角形结构。

根据本公开的一个方面，所述V型槽的高度H由流体流速U，流体的运动粘度υ和所述管道直径D决定，且：

其中：所述V型槽的高度为H，H单位为m；所述管道的直径为D，D单位为m；流体流速为U，U单位为m/s，流体流速U是指管道进口截面的流体平均速度；流体的运动粘度为υ，υ单位为m²/s。

根据本公开的一个方面，所述V型槽均匀环设于所述管道的全部内壁上。

根据本公开的一个方面，所述V型槽均匀环设于所述管道的部分内壁上。

本公开还提供了一种基于边界涡串减阻的管道的应用，应用于天然气、石油运输管道中。

本公开还提供了一种基于边界涡串减阻的管道的应用，应用于管流航空领域的进气道、轮毂、机匣中。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的管道结构示意图。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的稳定漩涡示意图。

图3是根据本公开的至少一个实施方式的非定常数值实验模型。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的流线图。

图5是根据本公开的至少一个实施方式的涡量图。

图6是根据本公开对比例的数值实验模型。

图7是根据本公开对比例的涡量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例

如图1所示，本公开提供了一种基于边界涡串减阻的管道100，包括V型槽1，若干所述V型槽1均匀环设于所述管道100内壁上，且所述V型槽1布置方向与所述管道内流体的流向相互垂直，所述V型槽采用等腰直角三角形结构。其中，图1(a)为本公开管道的结构示意图,其中箭头所指的方向为流体的流向；图1(b)为本公开管道剖面示意图；图1(c)为图1(b)的局部示意图，所述V型槽是顶角为90°的等腰直角三角形。如图2所示，本公开通过特定的横向V槽构型，使得流体通过管道时，槽内流体产生稳定的漩涡，从而实现流体与固体间形成“涡边界”，进而减小摩擦阻力，实现高效减阻的功能，其中V型槽顶部的两个箭头所指的方向为流体的流向，V型槽内顺时针方向的箭头为漩涡。

根据本公开的至少一个实施方式，所述V型槽的高度H随流体流速U及所述管道直径D的变化而变化，且：

其中：所述V型槽的高度为H，H单位为m；所述管道的直径为D，D单位为m；流体流速为U，U单位为m/s；流体的运动粘度为υ，υ单位为m²/s。本公式是建模与数值实验结合后，综合寻优推导而来。本公开可以根据管道不同的直径、来流速度来优选V槽的尺寸，以达到最佳的减阻效果。

实施例效果验证旋涡稳定性数值实验

如图3所示，对布置有横向V槽的三维管道(1/4部分)进行了非定常数值实验，其中，管道直径为300mm,V槽均匀布置在管道内壁，V槽尺寸高为0.5mm、宽为1mm。数值模拟实验网格在icem中完成划分，计算在fluent中完成，计算域进口为速度进口、出口为压力出口；选用SST湍流模型，计算方法采用SIMPLEC方法，参数的离散采用二阶迎风格式。其中，Icem、fluent是打包在ANSYS软件下的独立的软件模块，icem用于对计算域进行网格划分，fluent是求解器，SST是湍流模型、SIMPLEC是算法，皆为本领域技术人员所熟知。在图3中，箭头所指的方向为流体的流向。采用本公开的结构，流线图如图4所示，由图4可知，在V槽内部流体形成明显的旋涡，如图4中白色线状部分，证明产生了旋涡；涡量图如图5所示，涡量图可以描述涡的发展情况，图5给出了管道内布置的V槽是顶角为90度的等腰直角三角形时，边界涡随时间推移的运动情况。T1-T29是旋涡生成阶段，如T5时刻的箭头所指部分，产生了漩涡。到T31时刻，边界涡在槽内保持稳定，如T31时刻的箭头所指部分。由此可以充分证明此几何结构在槽内能产生稳定的边界涡。边界涡将原来的流固无滑移边界变成“涡边界”(滑移边界)，相当于“轴承”的作用，减小摩擦阻力，证明旋涡稳定。

对比例及其效果验证

如图6所示，本发明人同时对布置有V槽，但V槽不是顶角为90度的等腰三角形的管道进行了数值实验。涡量图如图7所示，涡量图可以描述涡的发展情况，图7给出了管道内布置的V槽是顶角不为90度的等腰三角形时，边界涡随时间推移的运动情况。T1-T5是旋涡生成阶段,如T5时刻的箭头所指部分,产生了漩涡。到T8时刻，边界涡基本生成完成。但是此时边界涡随主流的迁移作用而向下游迁移，无法在槽内保持稳定，在T15时刻，箭头所指部分代表漩涡飘散。

采用本公开的方案，在雷诺数为20416时，减阻率为11.85％；采用对比例的方案，在雷诺数为20416时，减阻率为8.04％；由此可见，在减阻效果上，本公开方案相对于对比例减阻率增长47.4％，具有明显的减阻效果。可知，横向沟槽内部能形成边界涡，但是仅有本公开所述形状的横向沟槽才能将边界涡稳定在V槽内部，从而形成稳定的滑移边界，进而实现高效减阻。

本公开管道长度不限、管道半径不限；不需要额外的控制装置以及注入额外的物质；加工简单，对材料没有限制；适用范围广，可以应用于天然气、石油管道运输领域，及进气道、轮毂、机匣的管流航空领域。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。