基于多尺度相干結(jié)構(gòu)的輸氣管道壁面摩擦阻力檢測

1壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)療效機(jī)理壁流是指在運動過程中，在接近固體壁面附近區(qū)域，由于運動不穩(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，導(dǎo)致極端混亂。這是自然界和工程科學(xué)的典型流動狀態(tài)。同時，由于流量結(jié)構(gòu)的極端復(fù)雜性，它也是一個尚未解決的問題。壁湍流在管道中雖然只有徑向很薄的一層區(qū)域,但管道輸運中有很多問題都與壁湍流中流動結(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,使管道輸運的能耗加劇、管道輸運的效率下降、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加劇,幅值提高,隨機(jī)性增加,管線振顫加劇,降低管道流動穩(wěn)定性,從而對管道輸運系統(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,降低管道運輸能源消耗,提高管線輸運效率,延長管道使用壽命,提高管道輸運系統(tǒng)運行的安全性、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).美國斯坦福大學(xué)的Kline對湍流近壁區(qū)流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面細(xì)致的觀測工作,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變得比較平穩(wěn).并將這一系列的過程稱為相干結(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,極大地改變了對湍流本質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)識,標(biāo)志著對湍流本質(zhì)的認(rèn)識從完全無序的階段進(jìn)入了無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),對湍流中動量、能量和質(zhì)量的輸運,以及對湍流的產(chǎn)生、維持、演化和發(fā)展都起著重要作用.相干結(jié)構(gòu)的理論和實驗研究,為認(rèn)識湍流的本質(zhì)并最終達(dá)到控制湍流的目的開辟了新的途徑.壁湍流在管道輸運中引起的最嚴(yán)重的問題就是壁面摩擦阻力大幅度增加,使管道輸運的能耗加劇,管道輸運的效率下降,管道壁面磨損嚴(yán)重,降低管道使用壽命,對管道輸運系統(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過程中,這個問題尤為突出.輸運管道壁面減阻問題是湍流工程應(yīng)用研究的前沿課題,目前的研究都是基于對壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過程的理論與實驗觀測上的認(rèn)識.普遍的觀點認(rèn)為壁湍流緩沖層中相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過程是產(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)過程產(chǎn)生的混亂流動現(xiàn)象和復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了管道輸運中在管道周向和徑向上不必要的動量和能量消耗.要減小壁面摩擦阻力,降低管道輸運的能源消耗,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)域流動狀態(tài)的平穩(wěn)和有序,減少緩沖層混亂的流動現(xiàn)象和相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)的發(fā)生,以減少對管道輸運不必要的能量消耗.因此一般控制湍流運動的方法都是從控制相干結(jié)構(gòu)入手,通過多種途徑來控制相干結(jié)構(gòu)的猝發(fā).2壁湍流對數(shù)律平均速度剖面測量壁湍流的流向平均速度沿法向剖面的測量是一項比較成熟的技術(shù),經(jīng)過近一百年的研究和探索,其對數(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,熱線測速技術(shù)(HWA)的廣泛使用和激光測速技術(shù)(LDA)的成熟與發(fā)展,實現(xiàn)了對壁湍流流場無干擾或微小干擾的平均速度剖面測量,極大地提高了壁湍流對數(shù)律平均速度剖面測量的真實性、準(zhǔn)確性和可靠性.壁湍流對數(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為測量點的壁面法向坐標(biāo),,A,B為已知常數(shù),ν為氣體動力黏性系數(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)確測量壁湍流對數(shù)律平均速度剖面的基礎(chǔ)上,通過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實驗裝置和測點布置實驗是在天津大學(xué)流體力學(xué)實驗室低湍流度風(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,實驗段長度4.5m,橫截面為切角的矩形,高0.45m,寬0.35m,實驗段風(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%.實驗用管道固定在實驗段的水平中心,與來流方向平行,正對來流方向的管道壁前緣為楔形,管道長L=2000mm,直徑350mm,厚5mm,測速儀為美國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)行測量,熱線敏感材料為直徑2.5μm的鎢絲.實驗中測量了從0.5mm到20mm間不等距的100個測點,沿管道壁的徑向精細(xì)測量流向速度分量的時間序列信號,采樣頻率100k,每個測點數(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量壁湍流的壁面摩擦阻力,對噴刷聚氨酯涂料的管道壁面減阻性能進(jìn)行了比較實驗研究.在風(fēng)洞中用兩個雷諾數(shù)吹風(fēng),各得到兩條壁湍流平均速度剖面,如圖1所示,說明本流場符合標(biāo)準(zhǔn)的湍流邊界層流場.通過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給出了實驗條件中的自由來流速度U和實驗雷諾數(shù)Re,其中實驗雷諾數(shù),D為管道直徑.表2給出了不同實驗條件下測量的壁面摩擦速度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,從原來反對稱形狀變?yōu)榫哂蠱形狀的準(zhǔn)對稱波形.壁湍流相干結(jié)構(gòu)從拉伸-壓縮-拉伸的反對稱變形過程轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s-小拉伸-小壓縮-拉伸的變形過程.原來相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)過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^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)向下掃掠的過程是壁湍流摩擦阻力產(chǎn)生的主要過程,掃掠過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)向下掃掠時彈性壁面產(chǎn)生對流體的反作用力使掃掠過程受到緩沖,降低了掃掠過程的強(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