曹益銘

摘 要：本文是對(duì)沖擊流裝置做出試驗(yàn)，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)擴(kuò)展。研究管徑較大的沖擊流裝置在天然氣管道內(nèi)的應(yīng)用和流體分析并與現(xiàn)在應(yīng)用的沖擊裝置做出對(duì)比。定性分析二維分布對(duì)稱流場(chǎng)中大管徑擊流裝置和小管徑擊流裝置的不同之處。在此研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入探究其不穩(wěn)定的流場(chǎng)情況，從而得到?jīng)_擊流裝置一些有意義的測(cè)試類試驗(yàn)和環(huán)地層流體的雙線性流動(dòng)理論分析對(duì)比圖。

關(guān)鍵詞：沖擊流裝置；流體分析；環(huán)地層流體的雙線性流動(dòng)理論

天然氣是優(yōu)質(zhì)的清潔能源，增強(qiáng)天然氣工業(yè)的發(fā)展是確保能源供應(yīng)穩(wěn)定的重要因素，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中占有重要比例。超過90%的天然氣需要利用管道實(shí)現(xiàn)長距離的輸送。輸送管道的內(nèi)壁與天然氣流體之間的摩擦力會(huì)產(chǎn)生一定損失。為了有效補(bǔ)充這些壓力的損失，需要采取有效的方法來提升天然氣的流動(dòng)壓力。由于裝設(shè)、操作和維護(hù)增加壓力的設(shè)備費(fèi)用較高，因此需要研究出其他的方法來保證在輸送天然氣量壓差一定的情況下實(shí)現(xiàn)最大值。

如何提高輸送天然氣管道的輸氣流量，目前行業(yè)通常采用的方法有增大管道內(nèi)徑、增加供氣壓或采取管道降阻增流措施。在主管道輸送天然氣量能夠大致預(yù)測(cè)的情況下建設(shè)口徑更大的輸氣管道比同時(shí)建多條小口徑低壓管道更實(shí)用，天然氣管道輸氣量與管道內(nèi)徑的 2.5 次方為正比例關(guān)系。但是需要確保已經(jīng)現(xiàn)有管道輸氣經(jīng)濟(jì)性和安全性等多方面的綜合因素，流動(dòng)狀態(tài)為湍流狀態(tài)時(shí)，增大壓力未必能夠有效的增強(qiáng)輸送能力。

行業(yè)內(nèi)減小阻力增強(qiáng)輸送能力的方法，目前主要采用減小阻力添加劑技術(shù)、管壁內(nèi)部涂層技術(shù)和管壁表面振動(dòng)減小阻力技術(shù)。

1 減小阻力添加劑技術(shù)

天然氣減小阻力添加劑是一種可以增加管道輸量、減小氣流摩擦阻力的化學(xué)添加劑。向管輸氣流中沖入減小阻力添加劑控制腐蝕與水合，來提高輸氣管道輸氣的效率。

上世紀(jì)九十年代，美國開始應(yīng)用減小阻力添加劑技術(shù)，通過試驗(yàn)應(yīng)用，初步取得了效果。使用的天然氣減小阻力添加劑為具有與活性劑類似結(jié)構(gòu)的聚合類物質(zhì)或大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特殊，能夠吸收輸氣管壁界面與流體之間產(chǎn)生的湍急能量，減小管道內(nèi)表面的阻力，隨后吸收的湍急能量緩慢分散到氣流中，從而實(shí)現(xiàn)減小阻能的目的。此方法解決了輸氣管道施工費(fèi)用較高、工序復(fù)雜的弊端，尤其是減小阻力添加劑技術(shù)采用間隔時(shí)段連續(xù)注入的方式，解決了內(nèi)部涂層方法容易涂層脫落減阻效果逐漸降低的缺陷。

2 管壁內(nèi)部涂層技術(shù)

上世紀(jì)四十年代開始研究管壁內(nèi)部涂層技術(shù)，該類技術(shù)在長距離天然氣輸送管道內(nèi)大規(guī)模的采用，從上世紀(jì)六十年代此類技術(shù)被行業(yè)內(nèi)大規(guī)模的采用。目前多數(shù)歐洲長距離天然氣輸送管道均采用管壁內(nèi)部涂層技術(shù)。內(nèi)涂層技術(shù)可以使輸氣管道的輸氣效率提升6%左右，該技術(shù)存在的缺陷是不能夠在小口徑的輸氣管道上得以應(yīng)用，由于輸氣小口徑管道的雷諾數(shù)比較低，減低輸氣小口徑管道粗糙程度對(duì)阻力影響不大，管壁內(nèi)部涂層效果不明顯；大口徑管道混合摩擦區(qū)多為粗糙區(qū)湍流，管壁內(nèi)部涂層效果比較明顯。采用試驗(yàn)與理論研究相結(jié)合方法，通過分析發(fā)現(xiàn)管壁內(nèi)部涂層的原理在于可以有效的控制管壁表面氣流的徑向脈動(dòng)。因此，只有大口徑管道才容易實(shí)現(xiàn)抑制徑向脈動(dòng)，減阻效果比較明顯。

3 管壁表面振動(dòng)減小阻力技術(shù)

管壁表面振動(dòng)減小阻力技術(shù)，近年來通過研究表明：壁面的頻率振動(dòng)能夠降低管壁的表面摩阻及湍流強(qiáng)度。在雷諾數(shù)9200～19700波段范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)10%～15%減阻效果。

近年來，通過數(shù)據(jù)分析和計(jì)算進(jìn)一步解釋了展向壁面的振動(dòng)減小阻力原理。目前主要提出“條帶”原理和“流向渦”原理。研究表明內(nèi)壁表面展向運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠產(chǎn)生逆方向渦流，導(dǎo)致輸送氣體傳輸速度減慢，較慢的流速阻礙了管壁區(qū)域內(nèi)流渦的拉伸狀況，從而導(dǎo)致管壁內(nèi)阻力增加。延展方向壁面振動(dòng)能夠銷減管壁條帶的結(jié)構(gòu)，通過振動(dòng)實(shí)現(xiàn)減小壁面阻力的效果。

本文所分析的小管徑和大管徑增輸器的結(jié)構(gòu)圖

如圖1和2所示，為本文分析的小管徑脈沖流發(fā)生器和大管徑脈沖流發(fā)生器的寸圖。

4 結(jié)論

通過對(duì)流體管道減租的現(xiàn)狀分析，得出，脈沖流發(fā)生器的發(fā)展前景是極其廣闊的。脈沖流發(fā)生器特有的減租方式，同樣也可以用于其他一些模型的研究。除此之外，它的多尺度等將脈沖流發(fā)生器極具特點(diǎn)的流場(chǎng)分布、湍流的特征完全的凸顯了出來。將此模型用于教學(xué)研究中，使學(xué)生加深對(duì)湍急的認(rèn)識(shí)起到了推進(jìn)作用。

此外它的流場(chǎng)分布極具特點(diǎn)，湍流的諸多特征表現(xiàn)的淋漓盡致，例如多尺度等，所以這種模型也是可以應(yīng)用于教學(xué)上加深學(xué)生對(duì)于湍流的認(rèn)識(shí)。