天然氣管道沖擊流裝置的探討與研究

曹益銘

摘 要：本文是對沖擊流裝置做出試驗，并在試驗的基礎上進行技術擴展。研究管徑較大的沖擊流裝置在天然氣管道內的應用和流體分析并與現在應用的沖擊裝置做出對比。定性分析二維分布對稱流場中大管徑擊流裝置和小管徑擊流裝置的不同之處。在此研究的基礎上繼續深入探究其不穩定的流場情況，從而得到沖擊流裝置一些有意義的測試類試驗和環地層流體的雙線性流動理論分析對比圖。

關鍵詞：沖擊流裝置；流體分析；環地層流體的雙線性流動理論

天然氣是優質的清潔能源，增強天然氣工業的發展是確保能源供應穩定的重要因素，天然氣在一次能源結構中占有重要比例。超過90%的天然氣需要利用管道實現長距離的輸送。輸送管道的內壁與天然氣流體之間的摩擦力會產生一定損失。為了有效補充這些壓力的損失，需要采取有效的方法來提升天然氣的流動壓力。由于裝設、操作和維護增加壓力的設備費用較高，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現最大值。

如何提高輸送天然氣管道的輸氣流量，目前行業通常采用的方法有增大管道內徑、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測的情況下建設口徑更大的輸氣管道比同時建多條小口徑低壓管道更實用，天然氣管道輸氣量與管道內徑的 2.5 次方為正比例關系。但是需要確保已經現有管道輸氣經濟性和安全性等多方面的綜合因素，流動狀態為湍流狀態時，增大壓力未必能夠有效的增強輸送能力。

行業內減小阻力增強輸送能力的方法，目前主要采用減小阻力添加劑技術、管壁內部涂層技術和管壁表面振動減小阻力技術。

1 減小阻力添加劑技術

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。

上世紀九十年代，美國開始應用減小阻力添加劑技術，通過試驗應用，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構的聚合類物質或大分子物質，這些物質的分子結構特殊，能夠吸收輸氣管壁界面與流體之間產生的湍急能量，減小管道內表面的阻力，隨后吸收的湍急能量緩慢分散到氣流中，從而實現減小阻能的目的。此方法解決了輸氣管道施工費用較高、工序復雜的弊端，尤其是減小阻力添加劑技術采用間隔時段連續注入的方式，解決了內部涂層方法容易涂層脫落減阻效果逐漸降低的缺陷。

2 管壁內部涂層技術

上世紀四十年代開始研究管壁內部涂層技術，該類技術在長距離天然氣輸送管道內大規模的采用，從上世紀六十年代此類技術被行業內大規模的采用。目前多數歐洲長距離天然氣輸送管道均采用管壁內部涂層技術。內涂層技術可以使輸氣管道的輸氣效率提升6%左右，該技術存在的缺陷是不能夠在小口徑的輸氣管道上得以應用，由于輸氣小口徑管道的雷諾數比較低，減低輸氣小口徑管道粗糙程度對阻力影響不大，管壁內部涂層效果不明顯；大口徑管道混合摩擦區多為粗糙區湍流，管壁內部涂層效果比較明顯。采用試驗與理論研究相結合方法，通過分析發現管壁內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。因此，只有大口徑管道才容易實現抑制徑向脈動，減阻效果比較明顯。

3 管壁表面振動減小阻力技術

管壁表面振動減小阻力技術，近年來通過研究表明：壁面的頻率振動能夠降低管壁的表面摩阻及湍流強度。在雷諾數9200～19700波段范圍內能夠實現10%～15%減阻效果。

近年來，通過數據分析和計算進一步解釋了展向壁面的振動減小阻力原理。目前主要提出“條帶”原理和“流向渦”原理。研究表明內壁表面展向運動時，能夠產生逆方向渦流，導致輸送氣體傳輸速度減慢，較慢的流速阻礙了管壁區域內流渦的拉伸狀況，從而導致管壁內阻力增加。延展方向壁面振動能夠銷減管壁條帶的結構，通過振動實現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構圖

如圖1和2所示，為本文分析的小管徑脈沖流發生器和大管徑脈沖流發生器的寸圖。

4 結論

通過對流體管道減租的現狀分析，得出，脈沖流發生器的發展前景是極其廣闊的。脈沖流發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生器極具特點的流場分布、湍流的特征完全的凸顯了出來。將此模型用于教學研究中，使學生加深對湍急的認識起到了推進作用。

此外它的流場分布極具特點，湍流的諸多特征表現的淋漓盡致，例如多尺度等，所以這種模型也是可以應用于教學上加深學生對于湍流的認識。