應(yīng)用Dua IPDA和PIV研究氯化十六烷基三甲基季銨鹽減阻流體的減阻機理.pdf

1、在過去的四十年中，為了在流動中達到減阻的效果，人們針對減阻添加劑的研究做了大量的理論和試驗研究。但是，隨著研究的深入，越來越多的問題被提出來亟待解決。為了解釋表面活性劑減阻流體的減阻機理，在自然基金的資助下，我們搭建了可視化、矩形二維流動試驗臺。通過試驗來探索十六烷基三甲基季胺鹽(簡稱CTAC)做為減阻添加劑加入水中的減阻效應(yīng)和流動特性。通過在不同工況下的試驗研究，我們發(fā)現(xiàn)表面活性劑與其他減阻添加劑一樣，其減阻存在極限和優(yōu)選。為了進一步

2、的研究流體的湍動能以及流動結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)用三維激光多普勒測速儀和粒子圖像測速儀對流體的流動結(jié)構(gòu)進行測量。 本課題主要解決了以下幾個問題：一、針對影響CTAC減阻流體減阻性能的因素，進行詳細(xì)的流動試驗，得到達到最大減阻性能的最優(yōu)方案，為工業(yè)應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持；二、首次采用三維激光相位多普勒測速技術(shù)對流體的三維速度脈動進行試驗研究，得到三維湍流能量的分布；三、通過對減阻流體與非減阻流體的湍流特性對比研究，證實減阻流體對層流附面層的

3、影響是減阻產(chǎn)生的主要原因；四、結(jié)合宏觀減阻性能與微觀湍流特性以及膠束結(jié)構(gòu)，提出CTAC減阻流體的減阻機理，認(rèn)為剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的存在是表面活性劑添加劑具有減阻效應(yīng)的根本原因；五、利用粒子圖像測速技術(shù)得到瞬時流場結(jié)構(gòu)，完善了減阻流體的流場結(jié)構(gòu)研究。 通過對126種工況的CTAC減阻流體的性能和湍流特性試驗，得出以下結(jié)論： 1.在一定條件下，NaSal的增加使CTAC溶液的減阻能力顯著提高，但是減阻率的增加存在極限。當(dāng)達

4、到同濃度CTAC溶液的最大減阻能力后，NaSal的增加不再使溶液的減阻能力增大，而只是使減阻流體的最大減阻率點平移及臨界雷諾數(shù)增大。試驗結(jié)果表明：當(dāng)減阻流體應(yīng)用于工業(yè)時，減阻存在最大極限和配方以及流動工況的優(yōu)選；CTAC的濃度是減阻性能的決定因素。 2 溫度對CTAC減阻流體的減阻性能影響很大。對不同的濃度和不同的配比溫度的影響不同，甚至出現(xiàn)相反趨勢。對極低濃度的CTAC減阻流體，溫度上升使臨界雷諾數(shù)下降；對相同濃度和配比的CT

5、AC減阻流體，盡管流動工況不同，其臨界溫度相同。 3 減阻流體的時均速度在壁面和中心呈相反的趨勢：近壁面處，減阻流體的速度梯度小于非減阻流體；在中心區(qū)，減阻流體的速度梯度和速度值均大于非減阻流體。層流附面層的增厚是減阻產(chǎn)生的主要原因。 4 處于最大減阻狀態(tài)的溶液，其橫向速度脈動和主流方向速度脈動均明顯小于牛頓流體；減阻流體的主流方向速度脈動和橫向速度脈動之間的關(guān)聯(lián)被抑制，其雷諾應(yīng)力與牛頓流體相比，顯著降低。在減

6、阻流體中，流體主流流動方向和垂直于主流流動方向的速度脈動之間的關(guān)聯(lián)已經(jīng)被最大可能的抑制，從而導(dǎo)致能量的傳遞減少。 5研究表明雷諾應(yīng)力的減小并不是湍動程度的降低，而是由于軸向脈動與徑向脈動相關(guān)程度的降低，即所謂流場解偶現(xiàn)象。 6 減阻流體的湍流動能峰值向流動核心區(qū)偏移，其動能的產(chǎn)生和消散明顯比非牛頓流體弱。層流附面層減阻作用的重要因素是由于能量的積聚和釋放抑制了能量的散失。 7速度U的三次方根值隨著減阻的增加而

7、增大，減阻流體的最小值明顯向y+更小的方向偏移，在谷底區(qū)域外該值比非減阻流體的更加大，尤其是接近流道中心，這一點更加明顯。 8 在主流速度方向上存在較多低頻的周期運動，而在垂直方向上卻是一般的隨機運動。濃度增加，NaSal與其配比加大時，這種現(xiàn)象更明顯。通過互相關(guān)分析，CTAC減阻流體的互相關(guān)性比非減阻流體的小很多。 9減阻流體的瞬態(tài)速度分布不同于沒有加入活性物質(zhì)的水中。對其瞬態(tài)速度的研究表明其中不存在隨機渦流。水流中的