管道的非沿程阻力的减阻及其流动压力脉动特性

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流体在管道网络中流动时会有阻力产生进而消耗能量,管内流阻力按其特性可分为沿程阻力与非沿程阻力,非沿程阻力主要为局部阻力。国内外学者对沿程阻力的研究和产出的文献较多且趋于完善,而对非沿程阻力的研究就相对较少,尤其是在如何降低局部阻力及相应的流动特性等方面。本文受国家自然科学基金的支持,就如何降低因管道横截面突变而产生的局部阻力及降低后的压力脉动特性开展研究,通过在突缩管道的上游管或突扩管道的下游管内不同位置、放置不同内径的圆环来控制管道突变前后的流动,以达到改变局部阻力的目的,从而找到降低非沿程阻力的条件及其压力脉动特性。同时,由于表面活性剂降阻剂在非沿程阻力占比较大的复杂管道流动中整体减阻效果大大劣于直长管,因此本文选用清水与添加剂溶液作为试验流体。本文先使用突缩比2:1、5:1的突缩清水流测试了局部阻力随雷诺数的变化特性,发现对于突缩管(D20:D10)流,雷诺数小于30000时,局部阻力系数随雷诺数增大逐渐减小,至30000以后基本不再随雷诺数而改变,稳定在0.3附近;而在管道突缩(D50:D10)流中,在雷诺数35000后局部阻力系数才基本稳定在0.425附近。在突缩比2:1的突缩清水流中,置环后发现内径为12.5mm的环在距突缩界面5mm处与无环时的局部阻力相比下降了60~70%,是本文置环在突缩清水流中的最优减阻工况。而在添加表面活性剂水溶液突缩流中,相应的最大局部阻力减阻率为40~50%。在突扩比1:2的清水流中置环后的最大局部阻力减阻率为30%,而突扩添加表面活性剂流中最大局部阻力减阻率为25%。在降低管道突变产生的局部阻力流中,减阻率与最大压力脉动呈负相关性,减阻率越高的工况其对应的最大压力脉动越小;在突缩管流中,置环后不同测压点间所测的压力脉动变化缓慢与无环时各点间的压力脉动趋势不同;在突扩管流中,减阻率较高的工况其最大压力脉动距突变界面越近。本文研究结论对改善减阻剂在管网中的整体降阻效果以及通过控制非沿程阻力流影响局部阻力结构兼具可参考的经济及科学意义。
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