表面活性劑減阻流體減阻機理與傳熱性能的實驗與數(shù)值計算研究.pdf

1、在水中添加少量的陽離子表面活性劑可以降低湍流流體的流動阻力，進而降低循環(huán)系統(tǒng)中泵的功耗。近年來，對表面活性劑減阻流體在區(qū)域供熱/冷系統(tǒng)中的應(yīng)用成為人們關(guān)心的熱點問題，然而對添加劑表面活性劑減阻流體的減阻機理仍不明確，對表面活性劑減阻流體的傳熱特性研究也甚少。本文以研究表面活性劑減阻流體的減阻機理和傳熱特性為目標，用氯化十六烷基三甲基季銨鹽(cetyltrimethylammoniumchloride，CTAC)陽離子表面活性劑作添加劑，

2、制定了詳細的表面活性劑流體湍流實驗和數(shù)值模擬方案。 本文研究主要包括：表面活性劑CTAC減阻流體減阻性能實驗研究；表面活性劑CTAC減阻流體湍流流場結(jié)構(gòu)和湍動能結(jié)構(gòu)實驗研究；表面活性劑CTAC蒸餾水溶液流變實驗研究；描述表面活性劑減阻流體剪切稀化特性對減阻作用的純粘性剪切稀化模型計算研究；描述表面活性劑減阻流體粘彈性對減阻作用的Giesekus粘彈性直接數(shù)值模擬(directnumericalsimulation，DNS)研究；

3、表面活性劑減阻流體傳熱實驗研究。 對表面活性劑CTAC減阻流體減阻性能進行實驗研究表明，第一臨界雷諾數(shù)隨表面活性劑濃度的增大而增大，完全減阻區(qū)內(nèi)CTAC減阻流體減阻存在一個最佳濃度。 用相位多普勒非接觸式測量技術(shù)對CTAC減阻流體充分發(fā)展湍流流場特性進行實驗研究，觀測到表面活性劑減阻流體湍流流場結(jié)構(gòu)和湍動能結(jié)構(gòu)都發(fā)生了改變。具體表現(xiàn)為表面活性劑CTAC減阻流體過渡層明顯增厚，對數(shù)區(qū)曲線向上偏移；軸向湍流強度峰值比水大，出

4、現(xiàn)峰值的位置向流道中心處偏移；表面活性劑CTAC減阻流體雷諾剪切應(yīng)力出現(xiàn)虧空(Reynoldsstressdeficit)，說明由添加劑產(chǎn)生的附加表面活性劑剪切應(yīng)力在總的平均剪切應(yīng)力中起到重要作用；表面活性劑CTAC流體湍動能產(chǎn)生項則被整體抑制，且曲線峰值向流道中心處偏移，添加劑CTAC的加入導(dǎo)致湍動能結(jié)構(gòu)的顯著改變。 用AR-G2控制應(yīng)力流變儀對六種濃度的表面活性劑蒸餾水溶液進行了流變實驗研究。通過流變實驗分析，本文首次提出出

5、現(xiàn)剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)(shearinducedstructure，SIS)的表面活性劑溶液存在臨界濃度。表面活性劑溶液中的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)(SIS)并不是添加劑表面活性劑減阻流體出現(xiàn)減阻必要條件。工業(yè)應(yīng)用上表面活性劑減阻存在一個最佳濃度。 剪切稀化特性是表面活性劑溶液流變性的一個重要特征。用純粘性剪切稀化Carreau-Bird模型對減阻溶液中剪切稀化特性對減阻的作用進行模擬。計算顯示出比PDA實驗小的減阻率，但澄清了高濃度減阻流體湍流強

6、度整體被抑制，較低濃度卻是發(fā)生了改變的這一現(xiàn)象。 用Giesekus粘彈性非牛頓流體本構(gòu)方程對減阻流體中的粘彈性特性對減阻的作用進行直接數(shù)值模擬(directnumericalsimulation，DNS)。計算顯示出與PDA實驗接近的減阻率，說明計算濃度范圍內(nèi)的減阻流體中粘彈性對減阻起到了主導(dǎo)作用。直接數(shù)值模擬出的減阻流體瞬時速度脈動圖清楚地顯示，添加劑減阻流體近壁處猝發(fā)明顯降低，瞬時脈動渦結(jié)構(gòu)整體被拉伸，近壁處渦結(jié)構(gòu)顯示有從

7、右向左流動的流體，減阻流體湍流流場中存在低速拉伸的軸向條紋速度帶，且間距比牛頓流體的大。同時減阻流體湍動能結(jié)構(gòu)與水相比也完全發(fā)生了改變。 基于減阻實驗與數(shù)值計算，建立了減阻流體減阻機理模型。 表面活性劑減阻流體傳熱性能實驗說明，單位體積的減阻流體溫度升高1℃所需的熱量比單位體積的水溫度升高1℃所需的熱量大。CTAC減阻流體的平均溫度分布曲線顯示，減阻流體的主要熱阻發(fā)生在過渡層，粘性底層卻顯示很小的熱阻發(fā)生，而水的主要熱阻

8、是發(fā)生在粘性底層。CTAC減阻流體的溫度脈動頻率比水小，且隨著y+的改變而有所不同。CTAC減阻流體溫度脈動與速度脈動有相似的分布趨勢，其峰值都向流道中心處偏移。CTAC熱流體湍流溫度脈動強度對軸向熱流量的貢獻更大，使得軸向熱流量的最大值出現(xiàn)在靠近溫度脈動強度最大值出現(xiàn)的位置。CTAC減阻流體溫度脈動與壁面垂直方向速度脈動相關(guān)性降低，使得CTAC減阻流體的軸向湍流熱流量小于水的，產(chǎn)生傳熱下降率(heattransferreduction