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液体管道内壁润湿性及流动特性研究

齐红媛  
【摘要】:随着现代测试手段及分析技术的发展,已有研究发现流体在壁面处会发生滑移,且滑移边界条件与液体所流经表面的润湿性直接相关,因此经典流体力学中固-液界面的无滑移假设在某些情况下并不成立。事实上,边界滑移能够改变流体的流动阻力,而表面润湿性对边界滑移又有重要的影响,但目前润湿性对流动阻力与滑移特性的影响尚存在争议。为此,本文围绕管材和液体,采用实验研究、数值模拟与理论分析相结合的方法,系统研究管道内壁润湿性与液体流动特性之间的内在联系,这对通过管壁润湿性的改变来实现液体管道减阻增输的新工艺开发具有重要的理论与实践意义。论文主要工作及研究结果如下:(1)采用接触角测定仪与自主研发的室内循环管路等实验手段,测试分析自来水在5种管内、乙二醇在4种管内、26#白油在4种管内以及4种液体在聚四氟乙烯管内的压降、摩阻系数和泊肃叶数,系统研究管壁润湿性及其对流动阻力特性的影响。研究表明:润湿性对不同流态下液体的流动阻力确实产生了一定影响;接触角越大,滚动角越小,摩阻系数越小,且层流比紊流减小得更多;管材表面特性比液体性质对管壁润湿性及流动阻力的影响更显著。(2)应用量纲分析和回归分析理论,建立不同流态下接触角与摩阻系数的定量关系式,通过管路实验数据和油田现场数据证实该公式具有较高的预测准确性。为避免改变原始管材和管输液体,提出水预润湿管壁的思路,实验研究了水预润湿对白油在304钢管和有机玻璃管内流动阻力的影响。结果表明:白油在经水预润湿后的304钢管内流动的压降和摩阻系数均小于未预润湿时,而在有机玻璃管内的压降和摩阻系数却大于未预润湿时。(3)采用滑移边界条件,以压降一定条件下无滑移管道内充分发展段的层流流动阻力特性为参照,理论计算自来水、乙二醇和26#白油在不同管内滑移流动时的滑移参数,探讨管壁润湿性对流动滑移特性的影响及其减阻机理。研究发现:当管内液体流速一定时,随着接触角的增大,管壁的剪切应力随之减小,从而使得壁面的滑移速度和滑移长度增大,最终导致液体的流动阻力降低;在低速条件下,液体的流动存在部分边界负滑移现象,只有当平均速度增大到一定值后滑移长度才趋于定值。(4)采用Fluent软件,通过直接设置壁面滑移边界条件,数值模拟单相液体在圆管内不同流态下的流动特性,研究固-液界面的表观接触角和管径对液体管道滑移流动的影响。结果发现:对于相同液体在同一管道内的流动,也可以通过提高固-液界面的表观接触角来减小流动阻力;在不同管径内,接触角增幅越大、管径越小时润湿性对液体压降的影响越明显。(5)以固-液界面接触角为评价指标,采用单因素和均匀设计实验方法,研究润湿性的主要影响因素,建立接触角预测模型并验证其准确性,分析各因素对接触角的影响程度。结果发现:材料表面越光滑,摩阻系数不一定越小;材料表面的接触角随固体表面能的增加而不断减小;接触角随液体表面张力的增加而不断增大;材料表面的微观几何形貌以及元素种类均可以改善材料表面的润湿性能;液体表面张力对接触角的影响权重最大,固体表面能次之,粗糙度最小。


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