CN205592513U - 一种应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及沟槽减阻技术领域，尤其涉及一种应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道。该应用于管道上的微沟槽中，在管道侧壁上对应设置有多个第一沟槽和多个第二沟槽，多个第一沟槽和多个第二沟槽分别沿着管道内的流体流向顺序排列，且各个第一沟槽和第二沟槽之间均对应相交于第一交点和第二交点，设置于第一交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有发散夹角，设置于第二交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有收敛夹角，发散夹角和收敛夹角均具有预设角度值，该应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道除了具有良好的管道流体运输效果以外，还能减少管壁积垢及清管次数，减轻管道腐蚀，延长管道使用寿命，使管道能够长期安全运行。

Description

一种应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道

技术领域

本实用新型涉及沟槽减阻技术领域，尤其涉及一种应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道。

背景技术

能源是维持、推动人类和社会进步不可缺少的要素，而节约能源消耗是人类一直追求的目标，其中减少输送过程界面的摩擦阻力是节能方式的一种具体形式，车辆、船舶、飞机、油气长输管道的数量与日俱增，因此设法减少这些运输工具的表面摩擦阻力，成为了发展节约能源新技术的重要突破点。

表面摩擦阻力在运输工具中的总阻力中占有很大的比例。研究表明，在长输管道中，泵站的能源基本上全部消耗在克服摩擦阻力输送上。管道水力输送在工业上应用极广，比较常见的有疏浚、煤粒和矿砂的输送、尾矿粉煤灰等废物的处理等。尤其是对于长距离的输油(气、沙)管道，由于它们的管径和输量都相当大，如果能够有效减小它们的摩擦阻力，这对节能减排和环境保护具有积极的促进作用。利用管道输送液体是工程中最常见的一种液体输运方式，如水电站的压力引水洞和水库的有压泄洪洞或泄水管、抽水的水泵管路、供水管网以及输油管道等。

输沙管道是机械清淤的重要配套设备，若要发挥机械清淤的效力，则必须提高管道的输沙效率。管道输沙效率的高低对管道输沙的能耗有重大的影响。目前为了提高管道输沙效率，并阻止泥沙在管道内的淤积，往往采用大流速输送，以提高水流的紊动动能。而在管道减阻方面，如何减小管道运输过程的阻力、提高管道输量，从而降低能源消耗是科研工作者多年来开展大量的研究所希望解决的难题。管道对沙子的存在极为敏感，极少的输沙也能造成颗粒侵蚀。在已有侵蚀模型中，均认为侵蚀结果与输沙率成正比。对于某一管道系统的设计，一般需要研究以下问题：水头损失、可能输送的含沙量、管壁磨损速率、颗粒磨损的速率等问题。传统的减阻方法大多采用表面更光滑的管道或采用内涂层减少管道内表面的绝对粗糙度，但由于技术水平的限制，提高管道内表面的光滑度是有限度的。因此，采用此种方法来降低摩阻系数的潜力已经较小。

目前应用于管道运输上的减阻方法主要有以下几种：

1、利用高聚合物添加剂减阻方法：该方法的不足之处是聚合物分子在一定的剪应力和高温作用下会发生降解、丧失减阻效果，减阻效果受到一定限制。

2、螺旋流减阻方法：该方法的常规产生方式有三种：切向径流、安装导流片及旋转管道。但现有螺旋流发生器存在的主要问题有：产生螺旋后衰减较快；产生的螺旋流轴向速度不明显；结构复杂，安装困难等。

3、利用涂层减阻方法：该方法是在管道或明渠内壁上涂敷一层减阻材料，降低管壁表面的粗糙度以达到减阻效果；该方法的不足之处在于一次性投资较大、施工程序复杂苛刻，且涂层寿命不确定等。

4、加气减阻方法：该方法是通过在管道内加气对减轻管道磨损、防止管道阻塞和降低管道结垢程度等有一定作用，但对于施工及实现而言较为麻烦；该方法的原理是在物面上造成气泡，利用气泡的小摩阻性和易变形特点来调节底层流动结构以减阻，其缺点是气泡不稳定，一旦破裂将产生较大的阻力和噪声。

5、沟槽减阻方法：即在物体和流体接触的表面上布置微沟槽，以改变与黏性阻力紧密相关的湍流拟序结构，达到减阻目的；壁面沟槽结构改变了湍流边界层的特征。减阻时，边界层平均湍动能降低，湍流惯性区涡的湍动能也降低。

在《湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展》(力学进展，第42卷第6期第822-836页)中有提到：首先沟槽主要为表面流场为湍流的物体提供减阻，只有某特定形状的物体才会显示出可观减阻效果；其次在机械加工及使用沟槽乙烯薄膜的基础上提出划痕技术，使用此技术虽达到了一定的减阻效果，但由于其尺寸较小，当应用于船舶表面、管道中时，沟槽易被海洋生物或沙粒、油污填满，导致无减阻效果。

而在《仿生非光滑表面减阻技术在油气管道中的应用》(管道技术与设备，2014年第2期第9-10页)中有提到：随着技术进步，目前出现的仿制仿生沟槽模板的方法主要有精细机械加工(如微雕刻)、高能束加工(如激光烧结、等离子刻蚀)、半导体加工等，不仅成型效率低、成本高，而且所仿制出的仿生表皮逼真程度差，减阻效率限制在7％以下，直接限制了仿生减阻表皮的工程化应用。

鉴于上述背景技术的缺陷，本实用新型提出了一种应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种应用于管道上的微沟槽及具有该结构的管道，在现有的沟槽减阻技术的基础上，直接在管道上加工出微沟槽结构，除了具有良好的管道流体运输效果以外，还能有效减少管壁积垢，减少清管次数，减轻管道腐蚀，延长管道使用寿命，使管道能够长期安全运行。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种应用于管道上的微沟槽，其特征在于，包括分别对应设置在管道侧壁上的多个第一沟槽和多个第二沟槽，多个所述第一沟槽和多个第二沟槽分别沿着所述管道内的流体流向顺序排列，且各个所述第一沟槽和第二沟槽之间均对应相交于第一交点和第二交点，设置于所述第一交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有发散夹角，设置于所述第二交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有收敛夹角，所述发散夹角和收敛夹角均具有预设角度值。

进一步的，所述第一沟槽与流体流向之间具有第一流向夹角，所述第一流向夹角具有预设角度值。

进一步的，所述第一流向夹角的预设角度值为α₁，则有30°≤α₁≤60°。

进一步的，所述第一流向夹角的预设角度值为α₁，有α₁＝45°。

进一步的，所述第二沟槽与所述流体流向之间具有第二流向夹角，所述第二流向夹角具有预设角度值。

进一步的，所述第二流向夹角的预设角度值为α₂，则有-60°≤α₂≤-30°。

进一步的，所述流向夹角的预设角度值为α₂，有α₂＝-45°。

进一步的，所述发散夹角为Φ₁，则有330°≤Φ₁≤340°。

进一步的，所述收敛夹角为Φ₂，则有150°≤Φ₂≤160°。

本实用新型还提供了一种管道，包括如上所述的应用于管道上的微沟槽。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有以下有益效果：本实用新型的应用于管道上的微沟槽中，在管道侧壁上对应设置有多个第一沟槽和多个第二沟槽，多个第一沟槽和多个第二沟槽分别沿着管道内的流体流向顺序排列，且各个第一沟槽和第二沟槽之间均对应相交于第一交点和第二交点，设置于第一交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有发散夹角，设置于第二交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有收敛夹角，发散夹角和收敛夹角均具有预设角度值，在现有的沟槽减阻技术的基础上，直接在管道上加工出微沟槽结构，与其他现有的减阻结构相比，利用微沟槽结构进行管道减阻有其突出的优点：首先，具有微沟槽结构的管道上不需要为了实现减阻效果而附加额外设备，只需在管道母体表面加工出相应的微沟槽结构，或者粘附具有该微沟槽结构的薄膜，就可实现减阻，将其应用于输水或输沙管道，不但能减少管壁积垢，减少清管次数，降低清管费用，还能减轻管道腐蚀，延长管道使用寿命，使管道能够长期安全运行，相对于其他微沟槽形式，该微沟槽结构形式排列整齐，在加工上也较为简易，且在降低投资、节能降耗、节约管道运行费用等方面具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型实施例的应用于管道上的微沟槽的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为图1中B处的放大示意图；

图4为本实用新型实施例的第一沟槽的结构示意图；

图5为本实用新型实施例的应用于管道上的微沟槽的沟槽表面与流向涡之间的相互作用轴侧示意图；

图6为本实用新型实施例的应用于管道上的微沟槽的沟槽表面与流向涡之间的相互作用主视图；

图7为本实用新型实施例的应用于管道上的微沟槽的平均速度剖面与流场有效突入高度示意图。

其中，1、第一沟槽；2、第二沟槽；3、二次涡；4、反向旋转涡对；5、有效流动起点；6、平均流速剖面；α₁、第一流向夹角；α₂、第二流向夹角；Φ₁、发散夹角；Φ₂、收敛夹角；h_ps、流体流向；h_pc、流体展向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1～图4所示，本实施例所述的应用于管道上的微沟槽中，在管道侧壁上对应设置有多个第一沟槽1和多个第二沟槽2，多个第一沟槽1和多个第二沟槽2分别沿着管道内的流体流向顺序排列，且各个第一沟槽1和第二沟槽2之间均对应相交于第一交点和第二交点，设置于第一交点处的第一沟槽1和第二沟槽2之间均具有发散夹角，设置于第二交点处的第一沟槽1和第二沟槽2之间均具有收敛夹角，发散夹角和收敛夹角均具有预设角度值，在现有的沟槽减阻技术的基础上，直接在管道上加工出微沟槽结构，除了具有良好的管道流体运输效果以外，还能有效减少管壁积垢，减少清管次数，减轻管道腐蚀，相对于其他微沟槽形式，该微沟槽结构形式排列整齐，在加工上也较为简易，且延长管道使用寿命，使管道能够长期安全运行。

本实施例中，第一沟槽1与流体流向之间具有第一流向夹角，第一流向夹角具有预设角度值，优选第一流向夹角的预设角度值为α₁，则有30°≤α₁≤60°；第二沟槽2与流体流向之间具有第二流向夹角，第二流向夹角具有预设角度值，优选第二流向夹角的预设角度值为α₂，则有-60°≤α₂≤-30°；第一沟槽1和第二沟槽2之间的发散夹角为Φ₁，则Φ₁满足330°≤Φ₁≤340°；第一沟槽1和第二沟槽2之间的发散夹角为Φ₂，则Φ₂满足150°≤Φ₂≤160°。

本实施例的管道内设有如上所述的应用于管道上的微沟槽，本实施例经过试验选择最优的设置，具体为：α₁＝45°，α₂＝-45°，330°≤Φ₁≤340°，150°≤Φ₂≤160°，经试验证实管道内流动平稳，流体输送量增加明显，即应用上述微沟槽结构设置的管道具有明显的减阻效果。

自沟槽结构被发现有减阻效果起，由于流体本身微观运动的复杂性，以及实验测量手段的局限性，目前关于其减阻机理至今没有一个确定的说法。比较令人信服的有两种：一是“第二涡群”理论，另一是“突出高度”理论。

“第二涡群”理论认为反向旋转的流向涡与沟槽尖峰相互作用产生了二次涡3。如图5、图6所示，图中的二次涡3的产生和发展带动了反向旋转涡对4的产生，进而削弱了与低速条带相联系的流向涡强度，从而削弱了低速条带的形成和不稳定性，也就是说低速条带缓慢上升进而猝发的过程被削弱了。同光滑面相比，沟槽面湍流猝发的频率和强度都被减弱，间歇时间较长、强度较弱的猝发减弱了湍流边界层的发展和边界层内的动量交换，从而实现摩擦力的减小。

“突出高度”这个概念是由德国宇航中心提出，如图7所示的平均速度剖面6形成的速度曲线上定义了一个有效流动起点5，这个点是通过将沟槽面等效为光滑面的等效的速度曲线确定的。突出高度就是这个有效流动起点5到沟槽顶端的距离。“有效突入高度”指沟槽高度高出有效流动起点5垂直位移的量(图7中所示的流体流向为h_ps，流体展向为h_pc)。流体流向与横向的有效流动起点5的垂直位移差，即Δh＝h_ps-h_pc，被用来表述低雷诺数流动情况下各种沟槽将会使涡的横向迁移减小的度量，在有效流动起点5之下沟槽底部的流动很微弱，这可以看作使粘性底层的厚度增加了，使近壁区的速度梯度减小，从而使沟槽的表面具有减小阻力的效果。

根据上述理论，在本实施例中，第一沟槽1和第二沟槽2优选为三角形沟槽，也可以为圆形沟槽，多个第一沟槽1和多个第二沟槽2对应设置在管道侧壁上是指：沿管道的中心轴所经过的纵向截面为沟槽对称面，多个第一沟槽1和多个第二沟槽2分别对称的顺序排列在沟槽对称面的两侧，且均设置在管道的侧壁上；当各个第一沟槽1和第二沟槽2之间均对应相交于第一交点和第二交点时，各个第一交点和第二交点分别沿沟槽对称面的两条侧边顺序排列，从而在管道侧壁的对称两端分别形成两条与管道内的流体流向平行的交点线。

需要说明的是，本实施例中，各个第一交点和第二交点相对应形成的两条交点线除了是上述结构外，还可以与管道内的流体流向成一定角度设置。

上述的结构中，由于第一沟槽1与第二沟槽2是以沟槽对称面为中心成镜面设置，具体为：以管径为200mm的管道上设置微沟槽结构为例，在上述管道的表面上覆盖一层同流体流向夹角分别为±45°的第一沟槽1和第二沟槽2，即第一流向夹角和第二流向夹角分别为±45°，各个第一沟槽1与对应设置的第二沟槽2之间的发散沟槽夹角为Φ₁，则Φ₁满足330°≤Φ₁≤340°，且收敛夹角为Φ₂，则有150°≤Φ₂≤160°。根据实验确定上述的结构设置为最优设置，采用上述设置时，管道的流体输量明显增加，管内流动较平稳同时流速的波动性减少，说明该设有微沟槽结构的管道中，微沟槽结构的设置起到了明显有效的减阻效果。

综上所述，本实施例的应用于管道上的微沟槽中，在管道侧壁上对应设置有多个第一沟槽1和多个第二沟槽2，多个第一沟槽1和多个第二沟槽2分别沿着管道内的流体流向顺序排列，且各个第一沟槽1和第二沟槽2之间均对应相交于第一交点和第二交点，设置于第一交点处的第一沟槽1和第二沟槽2之间均具有发散夹角，设置于第二交点处的第一沟槽1和第二沟槽2之间均具有收敛夹角，发散夹角和收敛夹角均具有预设角度值，在现有的沟槽减阻技术的基础上，直接在管道上加工出微沟槽结构，与其他现有的减阻结构相比，利用微沟槽结构进行管道减阻有其突出的优点：首先，具有微沟槽结构的管道上不需要为了实现减阻效果而附加额外设备，只需在管道母体表面加工出相应的微沟槽结构，或者粘附具有该微沟槽结构的薄膜，就可实现减阻，将其应用于输水或输沙管道，不但能减少管壁积垢，减少清管次数，降低清管费用，还能减轻管道腐蚀，延长管道使用寿命，使管道能够长期安全运行，在降低投资、节能降耗、节约管道运行费用等方面具有重要意义；若将上述应用于管道上的微沟槽与具有自清洁能力的超疏水技术相结合，两者优势互补，必然能够成为一种有研究前景的新兴技术。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种应用于管道上的微沟槽，其特征在于，包括分别对应设置在管道侧壁上的多个第一沟槽和多个第二沟槽，多个所述第一沟槽和多个第二沟槽分别沿着所述管道内的流体流向顺序排列，且各个所述第一沟槽和第二沟槽之间均对应相交于第一交点和第二交点，设置于所述第一交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有发散夹角，设置于所述第二交点处的第一沟槽和第二沟槽之间均具有收敛夹角，所述发散夹角和收敛夹角均具有预设角度值。

2.根据权利要求1所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述第一沟槽与流体流向之间具有第一流向夹角，所述第一流向夹角具有预设角度值。

3.根据权利要求2所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述第一流向夹角的预设角度值为α₁，则有30°≤α₁≤60°。

4.根据权利要求3所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述第一流向夹角的预设角度值为α₁，有α₁＝45°。

5.根据权利要求1所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述第二沟槽与所述流体流向之间具有第二流向夹角，所述第二流向夹角具有预设角度值。

6.根据权利要求5所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述第二流向夹角的预设角度值为α₂，则有-60°≤α₂≤-30°。

7.根据权利要求6所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述流向夹角的预设角度值为α₂，有α₂＝-45°。

8.根据权利要求1-7任一项所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述发散夹角为Φ₁，则有330°≤Φ₁≤340°。

9.根据权利要求1-7任一项所述的应用于管道上的微沟槽，其特征在于，所述收敛夹角为Φ₂，则有150°≤Φ₂≤160°。

10.一种管道，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的应用于管道上的微沟槽。