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表面活性剂减阻流体减阻机理的实验与直接数值模拟研究

顾卫国  
【摘要】:在流体中加入少量的高分子聚合物或表面活性剂分子,湍流流动的摩擦阻力将显著降低,该流体被称为添加剂减阻流体。添加剂减阻技术在长距离流体管道输运中得到应用,具有巨大的节能价值。表面活性剂由于具有特殊的分子结构,在抗机械分解性能上优于聚合物大分子,因此适合闭式循环系统。当前,由于测量手段的限制,湍流及非牛顿流体研究的复杂性,表面活性剂减阻流体的减阻机理仍不是非常明确。 本文的研究目标是通过对表面活性剂溶液的流变性能测量、槽道流的速度场测量、减阻流体槽道流的直接数值模拟,研究表面活性剂减阻流体的减阻机理,并分析粘弹性模型对减阻现象模拟同实际流体的异同。本文研究采用的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵(Cetyltrimethyl Ammonium Chloride,CTAC),为一种阳离子表面活性剂。 首先,采用AR-G2流变仪对CTAC/NaSal表面活性剂溶液进行了流变实验测试,发现CTAC表面活性剂溶液表观粘度随温度升高而降低,随浓度增加而增大。在CTAC表面活性剂溶液内发现“剪切稀化”现象与“剪切稠化”现象。采用Giesekus粘弹性模型对表面活性剂溶液表观粘度进行模拟,发现可实现对“剪切稀化”效应的模拟,但无法模拟“剪切稠化”效应。提出并推导建立双并联Giesekus粘弹性模型,具有两个松弛时间,能够拟合表面活性剂溶液表观粘度曲线两段剪切稀化过程。 利用粒子图像测速仪测量CTAC表面活性剂溶液槽道x -y平面内的流速度场,发现减阻流体的湍流输运呈新的特征:横向雷诺输运被减弱,脉动呈条带状沿流向发展,并存在横向轻微振荡,出现“零雷诺剪切应力”现象。 利用Giesekus粘弹性模型对减阻流体槽道流进行直接数值模拟,对比实验与数值模拟结果,牛顿流体与粘弹性流体的流场统计特性相似,尤其是采用小波多尺度分析,发现牛顿流体、非牛顿流体表现出非常相近的尺度及脉动分量分布特征。 数值模拟结果显示,粘弹性流体高剪切下流向弹性正应力与应变存在推迟粘性,而壁面垂直方向应力与应变不存在滞后现象,因此抑制横向湍流输运与扩散,该特征同实验结论相一致。 实验结果与数值模拟结果的象限分析显示,同牛顿流体相比,粘弹性流体内流向与横向的速度脉动具有同CTAC减阻流体实验测量相一致的分布特征,即分布椭圆长轴倾角减小。同减阻流体实验结果相比,粘弹性流体在第Ⅲ象限的分布明显,说明湍流输运大多数呈低速流体朝外(离开壁面)输运的特征。然而,CTAC减阻流体在第Ⅳ象限内的大量分布说明还存在低速流体折返朝壁面运动的过程。这导致实验中出现“零雷诺剪切应力”现象,而粘弹性模型不存在“零雷诺剪切应力”现象。 对粘弹性流体模拟结果进行平均动能与湍动能分配分析,发现流体的平均动能主要用于雷诺应力、粘性应力、弹性应力做功,而雷诺应力产生的湍动能又分别用于粘性耗散与弹性耗散,因此粘弹性流体内压力降产生的动能主要被分配用于粘性与弹性两部分,这两项之间的比值同粘性系数比率(β)有关。 利用双并联Giesekus粘弹性模型进行直接数值模拟,发现Weτ=10、100的并联模型解决了Weτ=100时Giesekus粘弹性模型数值计算中出现不合理极值并产生数据溢出的问题。结果显示Weτ=10、100并联模型的流场近似层流流动状态,减阻率高达86%。对Weτ=10、40的并联模型在粘性系数比率为0.8、0.6两种情况下进行数值模拟,发现并联模型较单个分支而言,能够增强拟序结构,并提高减阻率。


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