邊界層注入減阻劑湍流減阻特性實驗研究.pdf

1、當(dāng)流體流過物體表面時由于表面摩擦力的作用將產(chǎn)生大量的能源消耗，為了節(jié)約現(xiàn)有能源及減小工業(yè)成本，在工業(yè)應(yīng)用中減小流動阻力成為一個重要的研究課題。早在近70年前Toms發(fā)現(xiàn)在水溶液中加入少量的某些高分子聚合物可以減小流動阻力，這種現(xiàn)象被稱為Toms效應(yīng)或者添加劑減阻技術(shù)。鑒于添加劑減阻劑技術(shù)的減阻特性，目前已經(jīng)將這種技術(shù)應(yīng)用到實際中。但是多數(shù)情況采用的方式為在管道內(nèi)充滿均勻的減阻劑溶液，考慮到經(jīng)濟性和條件的限制，有學(xué)者提出可以將減阻劑溶液注

2、入到管道中，減阻劑在運輸過程實現(xiàn)減阻的目的。本文將從這一角度出發(fā)，設(shè)計減阻劑注入實驗臺，通過對表面活性劑減阻溶液流變學(xué)性能進行測量、槽道內(nèi)的濃度場和速度場進行測量，研究通過狹縫注入法在邊界層注入減阻劑湍流減阻流動特性。實驗中采用十六烷基三甲基氯化銨作為減阻劑。
　　首先，采用旋轉(zhuǎn)流變儀對表面活性劑減阻溶液進行了流變學(xué)物性測量，發(fā)現(xiàn)較高濃度的CTAC/NaSal溶液在小剪切率下的粘度比水高很多，并且其粘度隨濃度的升高而增大，在研究的

3、剪切率范圍內(nèi)出現(xiàn)“剪切稀變”的現(xiàn)象。
　　其次，應(yīng)用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對注入表面活性劑減阻溶液后槽道內(nèi)x-y平面的濃度場進行了測量，定性和定量分析得到注入的減阻劑溶液在槽道內(nèi)的擴散比水溶液慢，在槽道內(nèi)減阻劑溶液形成了濃度邊界層，并隨著向下游流動逐漸變厚。水溶液在槽道分布相對比較均勻，然而減阻劑溶液呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性分布。
　　再次，利用粒子圖像測速技術(shù)對槽道x-y平面內(nèi)注入表面活性劑減阻溶液的速度場進行測量，發(fā)現(xiàn)湍流減阻流動中的

4、湍流統(tǒng)計特性在基于外尺度進行無量綱化時不同于牛頓流體，例如雷諾剪切應(yīng)力大大減小，垂直壁面方向脈動強度也被大大抑制，然而平均速度分布和主流方向的脈動強度與牛頓流體保持在同一水平上。除此之外，減阻流動內(nèi)的湍渦結(jié)構(gòu)特性也不同于牛頓流體。
　　最后，研究了濃度、雷諾數(shù)、減阻劑溶液的注入率等因素對減阻特性的影響以及減阻特性沿主流向的發(fā)展過程。發(fā)現(xiàn)減阻效果隨濃度呈先增加后減小的規(guī)律；在研究雷諾數(shù)范圍內(nèi)減阻效果隨雷諾數(shù)的增加而減弱，然而對于實驗