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管流添加剂减阻的实验与机理研究

朱蒙生  
【摘要】:暖通空调系统中泵的能耗在整个建筑能耗中所占比例非常大,以往围绕其进行的节能降耗研究多集中在输配系统的设计及运行调节等方面。由于在液体中加入少量的高分子聚合物或表面活性剂可导致其流动阻力大幅度减少,即出现添加剂减阻现象,此时不但流体输送过程的摩阻系数显著下降,而且会因传热性能降低而减少沿程输送的热量(或冷量)损耗。如果能够将添加剂减阻技术应用于暖通空调系统,不仅能够大大降低输配系统中水泵的能耗,而且能够相应地提高水输送热量(或冷量)的能力并有助于减少输配管网的初投资,因此在我国开展此项技术的研究对暖通空调领域的节能减排工作具有重要的意义。本文将从应用基础的角度研究添加剂减阻技术在暖通空调水系统中实际工程应用的可行性。 本文针对暖通空调水系统的专业技术特点,设计并建立了温度可控、实验管段管径可变、具有循环剪切功能的添加剂减阻实验台。该实验台的水温可控制在8℃至80℃之间、雷诺数可控制在500~100000范围内,来模拟暖通系统运行中的大多数常见的流动状态;减阻实验在循环系统中进行,便于研究不同减阻剂的抗剪切特性;实验管段部分可拆卸,以实现对常见管材不同管径的减阻效果研究。在进行减阻实验之前先进行清水实验,即在层流区以Hagen-Poiseuille定律为标准,湍流区以Prandtl-Karman定律为标准,对实验段管径进行了率定。 采用高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)和表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)的水溶液分别在塑料管(PVC管)和紫铜管中进行减阻实验来研究减阻液的减阻起始点、浓度效应、温度效应、管径效应及抗剪切性能等特性。实验结果显示,浓度为200ppm的PAM水溶液在紫铜管中最大减阻百分比在温度10℃时为65%,减阻效果非常突出,而在高温条件下存在明显降解现象,故PAM减阻剂在区域供冷系统中应该具有一定的应用潜力。浓度为300 ppm的表面活性剂CTAC水溶液在温度为60℃的紫铜管中其最大减阻百分比就可达到65%,同时表面活性剂CTAC水溶液的临界雷诺数随着溶液浓度的增加而增加,但是在低温下表现出一种饱和的行为,当20℃时,100ppm的表面活性剂CTAC溶液临界雷诺数约为12000,而400、500和600ppm下临界雷诺数几乎恒定在22500。实验结果显示表面活性剂CTAC具有一定的耐高温抗剪切特性,其在区域供冷及地板采暖等系统中应该具有较好的应用前景。 暖通空调系统中大多数管道内的流动都处在湍流(紊流)状态下,其中20~30%的能量损失是由湍流中心区内大尺度旋涡的高次分叉所引起的,而70~80%的湍流能量损失却是由边界层附近的湍流猝发所引起的。通过对湍流拟序结构的研究发现,湍流猝发虽然在空间上是随机的,但却是一种带有概周期性和具有确定性结构的拟序性结构,会在边界层内形成一个振荡流场,因此在研究添加剂减阻机理时就必须观察添加剂中的大分子(可将其看做微尺度球形粒子)在此振荡流场中的动力行为。本文提出了含悬浮粒子流体振荡粘度的概念,建立了粒子与振荡流场之间相互作用的数学物理模型,推导出了微尺度球形粒子在振荡流场中运动规律及含有大分子的含悬浮粒子流体振荡粘度的解析表达式。这部分工作是对经典颗粒悬浮液粘度理论的有益扩展,同时为本文随后的添加剂减阻机理的研究奠定了基础。 本文的研究结果表明添加剂中的粒子进入边界层附近时,会受到湍流猝发所引起的振荡流场的作用,产生振荡响应。该过程有利于减弱流场的振荡强度,更为重要的是该能量损耗会引起局部流场动态振荡粘度附加,由于粘度附加将阻碍涡管的形成和已形成涡管的发育,从而降低湍流猝发的频率和强度,抑制在湍流阻力中起着最主要贡献的湍流猝发,最终达到宏观减阻效果。利用本文得到的振荡粘度解析表达式就可以计算粒子尺寸、密度、圆频率等对含悬浮粒子流体粘度的影响,例如10wppmPEO(WSR-301)溶液在能谱峰值频率时动态振荡粘度将比纯水粘度约增加7.14%,此时可获得接近于最大的宏观减阻效果。含悬浮粒子流体局部动态振荡粘度是时空的函数,在边界层附近其值越大,对湍流猝发的抑制能力越强,减阻效果就越显著。这就是本文提出的关于减阻机理新的解释。


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