第38卷第3期力.學(xué)進(jìn)展Vol.38 No.32008年5月25日ADVANCES IN MECHANICSMay25，2008添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述*焦利芳李鳳臣↑哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與I程學(xué)院，哈爾濱150001摘要添加劑湍流減阻是指在液體的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某種表面活性劑從而使湍流阻力大大降低的現(xiàn)象.從其被發(fā)現(xiàn)至今,經(jīng)過近半個世紀(jì)的研究(實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用研究),盡管對這一現(xiàn)象及其實(shí)際應(yīng)用價值已有了較為深入的認(rèn)識,但仍有許多方面尚有欠缺,例如對湍流減阻的機(jī)理仍然在探索中.本文歸納評述了高分子聚合物或表面活性劑添加劑湍流減阻流動與換熱現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀,從湍流減阻劑的特性、減阻劑的湍流減阻機(jī)理、湍流減阻發(fā)生時的換熱機(jī)理、減阻流動速度場分布和換熱控制等幾個方面綜述了添加劑湍流減阻流動與換熱特性,并綜述了湍流減阻劑在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況,在對添加劑湍流減阻機(jī)理、有湍流減阻發(fā)生時的對流換熱機(jī)理等的理解方面進(jìn)行了新的總結(jié).關(guān)鍵詞高分子聚合物， 表面活性劑，湍流減阻,對流換熱,節(jié)能1引言湍流減阻的認(rèn)識日漸豐富,湍流減阻現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用方面也取得了一-定的進(jìn)展.本文旨在對添加1948年Tomsl1首次報道了在液體湍流中添.劑湍流減阻的研究現(xiàn)狀做一綜述,主要從湍流減加少量的高分子聚合物會使湍流阻力大大降低,阻劑的特性、湍流減阻機(jī)理、湍流減阻流動的換該現(xiàn)象后來被稱為"Toms效應(yīng)”.在強(qiáng)剪切力、高熱機(jī)理等幾個方面闡述.本文的另一個目的是對溫等因素作用下，高分子聚合物的柔性分子長鏈我國在添加劑湍流減阻領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀做一調(diào)查,結(jié)構(gòu)被破壞,且破壞后無法自動修復(fù),導(dǎo)致其減阻因此-一些共性的方面主要介紹我國學(xué)者的研究成效果的永久性喪失.20世紀(jì)90年代開始某些表面果,在減阻劑的實(shí)際應(yīng)用方面也著重介紹了我國活性劑添加劑也被發(fā)現(xiàn)具有減小湍流阻力的作用,的應(yīng)用研究情況.并且其減阻性能在受到剪切力、溫度等因素影響而暫時喪失后，待流動狀態(tài)恢復(fù)到有效減阻參數(shù)2減阻劑的特性研究范圍內(nèi)時可自動、快速恢復(fù).在實(shí)驗(yàn)室中的直管道理想條件下，對于水的湍流摩擦阻力在加入表面2.1 減阻劑簡介活性劑減阻劑后最高甚至可降低90%(2],即推動相1948年，Toms首次發(fā)現(xiàn)高分子聚合物的湍流同流量的水流動只需要原來泵功率的10%.在實(shí)減阻(drag reduction)現(xiàn)象(1,引起了學(xué)術(shù)界廣泛際應(yīng)用系統(tǒng)中,因管道比較復(fù)雜，如彎管、分支、突注意 1949 年, Mysels注冊了第1個減阻劑專擴(kuò)(縮)、換熱器的不規(guī)則形狀等的影響,會使減阻利問。20世紀(jì)60年代，減阻劑的研究已取得了效果降低,但在合理的流動條件下，高分子聚合物很大的進(jìn)展.我國在80年代中期才開始減阻劑減或表面活性劑添加劑湍流減阻率-般仍可達(dá)50%阻的研究,也取得了一定的效果.左右這-減阻效應(yīng)無疑擁有很大的應(yīng)用潛力,可這里所說的減阻劑專指那些只需添加微量即用于降低長距離液體輸送系統(tǒng)或液體循環(huán)系統(tǒng)的可使流體的湍流摩阻顯著降低的化學(xué)添加劑經(jīng)驅(qū)動泵功率,達(dá)到節(jié)能、增輸?shù)男Ч?過過去60多年的研究,已發(fā)現(xiàn)很多有效的減阻劑，經(jīng)過近半個世紀(jì)的不懈努力,人們對添加劑可分中國煤化工:些表面活性劑.收稿日期: 2007-07-23,修回H期: 2008-05-15YHCNMHG.●哈爾濱科技創(chuàng)新人才專項(xiàng)基金(2006RFLXS013)資助項(xiàng)目↑E mail: lifch@hit.edu.cn340力學(xué)進(jìn)2008年第38卷其中，高分子聚合物減阻劑可分為油溶性和水溶子型和非離子型3大類.表1中列舉了幾種常見.性兩種;表面活性劑減阻劑可分為陽離子型、陰離的減阻劑表1常見減阻劑舉例序號減阻劑類型物理性質(zhì)減阻效果實(shí)例備注聚氧化乙烯水溶性Mn =3x 104水中: c= 10mg/l,其減阻液溫度(PEO)41高聚物~4x 104Re=5x 104,越高減阻性能易老化,易降解.DRmx%≈72%.越差.聚丙烯酰胺M=1x 107,水中: c= 20mg/l, .(PAM)(51高聚物.靜置老化不明顯,Re=2.5x 104,易降解.DR%≈73%.Mn≥9x 107,其減阻液減阻(PAM)6]抗剪切性能差.性能幾乎不受溫度影響.4乙丙共聚物油溶性Mn = 0.734 ~ 6.12x 105,0號柴油中:[m]越大,DR越(EP)7]d=1.39~2.38,易老化,.DR%≈19%大;且DR值與[m] = 1.42 ~ 7.83,易降解.~ 66.8%.碳鏈C3含量有關(guān).辛烯-十無定型結(jié)構(gòu),原油: c= 5mg/,在c= 12 mg/1時,四烯閭共聚物.無結(jié)晶峰.D=25.4mm可達(dá)最大減阻率DR% = 15% ~ 35%.DRmax% = 50%美國CONOCOMw = 3.85x 10%,柴油: c= 5mg/), .裝運(yùn)容積小，.公司生產(chǎn)的共聚物Mn = 2.09 x 10%,Re=14x 10*,存儲運(yùn)輸方便.LP減阻劑間DR% = 33.0%.芬蘭NESTE公Mw =7.08 x 10%,柴油: c= 5mg/L,對比6和7,共司NE減阻劑間均聚物Mn =4.21 x 10,Re= 1.4x 104,聚物比均聚物(辛烯.十二烯)抗剪切性較6號減阻劑差.DR% = 37.1%.抗剪切能力好聚乙丁烯Mn =6.2x 105原油: c= 10.8 mg/,d越大減阻效(PIB)/10|~8.4x 105,V = 2.5m/s,果越好d= 1.4~ 2.38,D=25mm,[n| = 10~ 12,易降解.DR%≈20%.g聚a烯烴叫M=4.1x 10%,最初柴油: c= 10mg/l,生產(chǎn)安全性高，新疆大學(xué)研制分解溫度300°C,DRmax% = 40.1%,成本低，存儲、凝點(diǎn)低于-50°C,FImx% = 32.69%.運(yùn)輸方便.流動性較好、難揮發(fā)1陽離子表面表面具有降解.水中: T = 28.59C在表面活性劑活性劑2活性劑可逆性.質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%/0.1%,溶液中加入C.TAC/NaSal(附加0.1%的NaCl)NaCl溶液可增中國煤化工減阻能力MHCNMHG*表中符號說明: Mn數(shù)均分子量, M黏均分子量, Mw重均分子量, D流道水力直徑，d分子量分散度, [m]特性黏度，c減阻液濃度, Re流動雷諾數(shù), DR%減阻百分率, FI%增輸百分率, v流速第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述3412.2減阻劑的特點(diǎn)間的矛盾.因此，針對某些應(yīng)用場合人們開始了對具有減阻效果的高分子聚合物有以下共同特新型減阻劑的探索.點(diǎn):20世紀(jì)90年代,人們又發(fā)現(xiàn)了另一類減阻劑:(1)分子結(jié)構(gòu)呈直鏈型.主鏈越長,支鏈越少，表面活 性劑.將表面活性劑加入水中,在一定的濃減阻效果越好.度、穩(wěn)定劑和剪切力的作用下，大量小分子會聚集(2)分子量很大(-般情況下認(rèn)為分子量應(yīng)大形成一 種類似于高聚物分子長鏈結(jié)構(gòu)的棒狀結(jié)構(gòu),于50000方能減阻).實(shí)驗(yàn)研究表明同一類型的聚進(jìn)而相互交織成網(wǎng)狀，發(fā)揮減阻功效.與高聚物相合物分子量和減阻率的關(guān)系可表示為([.3)比,它最大的優(yōu)點(diǎn)就是具有降解可逆性.即在高剪切力(或高溫)作用下,其棒狀結(jié)構(gòu)會暫時被破壞，DR/c= K(M - M)(1)但是待剪切力(或流體溫度)降低后,它又可再次式中: Mc為聚合物剛開始產(chǎn)生減阻作用的分子量;形成棒 狀結(jié)構(gòu),繼續(xù)發(fā)揮減阻功效.表面活性劑溶M為聚合物的分子量;DR/c為聚合物單位濃度的液內(nèi)部形成棒狀微觀結(jié)構(gòu)有一個濃度要求,只有減阻率; K為實(shí)驗(yàn)常數(shù),與減阻劑的類別有關(guān).由濃度達(dá)到某一閥 值才會產(chǎn)生棒狀、網(wǎng)狀微觀結(jié)構(gòu),(1)式可見，相同類型的聚合物分子量對減阻率的從而產(chǎn)生減阻功效.此外它本身的化學(xué)性質(zhì),有可影響呈線性關(guān)系,分子量越大，減阻率越高.能會對壁面或溶劑存在不利影響.后兩點(diǎn)是它最(3)分子量分布:高分子聚合物都具有一定的大的局限和不利.分子量分布，在一定條件下，高分子的減阻性能近年來還研制出了能解決減阻共聚物的超高與分子量分布有很大關(guān)系根據(jù)分子量分布的不分子量與易降解之間矛盾 的締合性高分子減阻同可以將高分子聚合物分成共聚物和均聚物兩種，劑 [14,便于儲存和運(yùn)輸?shù)奈⒛覝p阻劑等,此不詳研究表明,共聚物比均聚物的抗剪切能力要好,因述此減阻效果也更好些對高聚物減阻劑湍流減阻.3影響減阻劑減阻效果的因素效果與分子量間的關(guān)系一般有兩種解釋,一種認(rèn)根據(jù)以上減阻劑的性質(zhì)可知，減阻劑本身的為減阻與高聚物的平均分子量有關(guān),而另一-種認(rèn)物理和化學(xué)性質(zhì)(如高聚物分子結(jié)構(gòu)、分子量、分為減阻與高聚物的高分子量部分有關(guān).可見，后一子量的分布情況等)對其減阻效果有明顯影響.除種解釋更為合理.(4)高分子聚合物與溶劑有很好的兼容性,不此之外，還有一些因素決定著減阻劑的減阻效果.會改變?nèi)軇┍旧淼幕瘜W(xué)性質(zhì),一般不影響溶劑的具體分析如下:后處理工藝(1)減阻劑添加濃度:最早由Virk提出減阻劑(5)添加極少量的高分子聚合物便有顯著的減的添加濃度影響著管道內(nèi)流動的彈性底層的厚度,阻效果.如在流動雷諾數(shù)Re=5x 104時，在水中.濃度越大，彈性底層越厚,減阻效果越好[5.理論加入1 mg/l的聚氧化乙烯,減阻可達(dá)40%左右4.上，當(dāng)彈性底層達(dá)到管道軸心時,減阻效果達(dá)到極(6)易降解，抗剪切性能差,受溫度影響大.在限,表現(xiàn)為管輸排量增量最大.湍流流動的高剪切力(或高溫)作用下,其分子長(2)流動雷諾數(shù):添加劑減阻現(xiàn)象只有當(dāng)流動鏈極易斷裂,從而降低甚至喪失減阻能力,這種降處于湍流時才會發(fā)生，而且在湍流減阻現(xiàn)象發(fā)生解稱為剪切(或溫控)降解.且高聚物的降解是永.后,在一定范圍內(nèi)減阻率會隨雷諾數(shù)增大而增大.久的不可逆的.研究表明,聚合物在溶液中的降解對于一定濃度的減阻劑溶液流動來說，存在一臨速率和聚合物的濃度、分子量及溶劑的性質(zhì)有關(guān).界雷諾數(shù),在該雷諾數(shù)下減阻效果最好,再繼續(xù)增聚合物的濃度越高,降解速率越高,并且隨著溶劑.大流速，減阻效果開始不斷減弱直至消失[161.對聚合物溶解能力的變差,降解速率增高;聚合物(3)流動通道的影響:一般來說,流道當(dāng)量直的分子量越大，降解速率越大.徑越中國煤化工(即起始雷諾數(shù)從以上高聚物減阻劑的性質(zhì)可知，用量小、經(jīng)越小)，CcNMHG粗糙度也對湍濟(jì)、對溶劑無影響的特性是其最大的優(yōu)點(diǎn);然而,流減阻壩象有影響，一般米侃租槌度越大,減阻效易降解、抗剪切性能差、且降解的永久性又是它果越明顯. 此外,流程中的三通、彎頭、閥門、變徑最大的弊端.經(jīng)過多年的研究仍未解決這兩者之管都將對減阻產(chǎn)生負(fù)面影響.342力學(xué)進(jìn)銀2008年第38卷(4)流體溫度:減阻劑都有其適用溫度范圍,并厚度也增大,當(dāng)彈性層擴(kuò)展到管軸時,減阻就達(dá)且一般在適用溫度范圍內(nèi)隨溫度升高減阻效果星到了極限.該假說成功地解釋了最大減阻現(xiàn)象,而下降趨勢.超出適用溫度范圍,減阻劑失去減阻功且也可以解釋管徑效應(yīng).但按照Virk的假說,最能,此現(xiàn)象也被用來進(jìn)行添加劑湍流減阻流動控大減阻時的濃度應(yīng)與j最大傳熱減小(heat transfer制.reduction)時的濃度相等,可實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明是不等(5)溶劑內(nèi)雜質(zhì)含量:溶劑中的雜質(zhì)既包括一的 [17.般意義上的可見雜物又包括不可見的離子等水中含有的金屬離子(如鈣、鎂離子等)和金屬氧化陽物(如水循環(huán)系統(tǒng)中因生銹而混入的鐵的氧化物)對表面活性劑減阻劑的減阻效果有負(fù)面影響.對減阻線油溶性高聚物減阻劑的研究表明其減阻效果還與tt油性溶劑的含水率等有關(guān).3添加劑湍流減阻機(jī)理研究黏性底層溶劑線盡管目前對化學(xué)減阻劑已經(jīng)有了相當(dāng)規(guī)模的010102104工業(yè)化應(yīng)用，并且對影響減阻效果的一-些因素己.y+有了一定的了解，但由于對湍流本身的了解還不.圖1彈性底層模型夠全面，添加劑在湍流中產(chǎn)生減阻的原因至今尚不十分清楚.圍繞減阻機(jī)理,曾提出一些假說和模3.3 湍流脈動抑制說型，但沒有--種理論可以圓滿解釋添加劑湍流減由于高聚物和表面活性劑減阻劑只對流動處阻流動中所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,因此，減阻機(jī)理還有待于湍流時才有減阻效果,故有人提出，減阻是由于于深入研究.日前為止已發(fā)表的幾種較有代表性溶液中的減阻劑抑制了湍流旋渦的產(chǎn)生,從而使的理論簡介如下.脈動強(qiáng)度降低，減少了能量損失，最終結(jié)果是發(fā)生了湍流減阻現(xiàn)象.針對這-觀點(diǎn)的正確性,曾有兩3.1偽塑說種不同的判斷.到目前為止所有有關(guān)添加劑湍流Toms[1最早提出,聚合物溶液具有偽塑性,剪減阻流動的研究結(jié)果中,都得到了垂直于壁面方切速率愈大，表觀黏度越小，溶液通過管道流動時,向上湍流速度脈動強(qiáng)度降低的結(jié)論,一部分學(xué)者壁面附近剪切速率大,黏度降低,從而使流動阻力認(rèn)為在流向上的湍流強(qiáng)度卻有所加強(qiáng)，這是基于降低.經(jīng)過后來大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,聚合比較牛頓流體湍流和減阻湍流中主流向無因次脈物添加劑湍流減阻機(jī)理要復(fù)雜得多，目前這種理動速度強(qiáng)度而得出的結(jié)論(18~2]. 這里的無因次論已被否定.速度脈動強(qiáng)度是通過除以自身工況下的摩擦速度3.2有效滑移說得到的.李風(fēng)臣等在其文章中對此進(jìn)行了分析(23),Virk根據(jù)管流速度分布測量的結(jié)果提出了彈認(rèn)為用各自工況下的摩擦速度作為無岡次參數(shù)并性緩沖層的流動模式[15. 認(rèn)為聚合物的加入在管不確切,而應(yīng)該用各自工況下的平均速度(同時反壁的層流底層和湍流核心之間生成--彈性緩沖層，映了流動雷諾數(shù)).用平均流速作無岡次參數(shù)重新此層的速度梯度較大,使湍流核心部分的速度分檢驗(yàn)前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),所有的湍流減阻流動布曲線相對于牛頓流體的速度分布曲線向上移動中各個方向上的湍流度都是降低的.因此,湍流脈了一個距離,即湍流核心部分的速度增大值.將此動抑制說來解釋湍流減阻在定性上可認(rèn)為是正確的，:不只是減弱了湍數(shù)值稱為”有效滑移"(見圖1所示).由于湍流核心部分速度加大，相同條件下通過的流量增加，故流腸中國煤化工流的結(jié)構(gòu)(-0.0CNMHG發(fā)生減阻.彈性底層是聚合物分子與流動發(fā)生作3.4而流脈切解稱假說用的區(qū)域,也就是發(fā)生減阻的區(qū)域.目前很多的研究表明，減阻劑對湍流的作用，根據(jù)Virk的假說,減阻劑濃度增大,彈性層是降 低了軸向脈動和徑向脈動的相關(guān)性,這種作第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述343用稱為“解耦".由于湍流脈動的解耦減小了雷諾Bewersdoff等[37]應(yīng)用冷中子小角度散射測量應(yīng)力,根據(jù)FIK(Fukagata-Iwamot-Kasagi)公式[31])技術(shù),觀察了一種表面活性劑溶于重水中所成膠可知雷諾應(yīng)力的減小直接導(dǎo)致湍流流動的摩擦囚束的變形特點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)溶液靜止時，膠束呈現(xiàn)橢球子降低,發(fā)生減阻現(xiàn)象.實(shí)際上,雷諾應(yīng)力的減小是形，橢球的長短軸隨機(jī)取向,溶液在湍流時,橢球湍流脈動解耦和湍流脈動抑制兩方面共同作用的長軸的取向具有 -定的方向性.該結(jié)論也與應(yīng)力結(jié)果(1,23,.2~34.3這一假說在定性上也是正確的.各向異性假說相符.目前該方向上的研究并未最終定論,與黏彈3.5黏彈說具有減阻效果的高聚物溶液和表面活性劑溶說究競孰對孰錯仍有待繼續(xù)深入研究液一般都表現(xiàn)出黏彈性這種流變學(xué)物性.隨著黏3.7渦旋穩(wěn)定假說彈性流體力學(xué)的發(fā)展,有人提出高聚物和表面活在湍流中，流體的流動阻力主要是由尺度大性劑減阻劑溶液的減阻作用是由于其黏彈性和湍小隨機(jī)、運(yùn)動隨機(jī)的旋渦形成的.盡管旋渦的形成流旋渦之間發(fā)生相互作用的結(jié)果.位于高應(yīng)變速是隨機(jī)的，但旋渦總是逐漸分解而產(chǎn)生尺度越來率區(qū)的減阻劑溶液內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)(高聚物分子鏈或越小的旋渦(能量級聯(lián)),直至分解到相對于該流表面活性劑溶液內(nèi)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))可以將載能渦旋動雷諾數(shù)下的最小尺度渦(Kolmolgorov尺度渦),區(qū)中由小尺度渦旋耗散的能量吸收并貯存在伸展旋渦能量最終岡流體的黏性變成熱能而耗散掉.的微觀結(jié)構(gòu)中.當(dāng)儲能微觀結(jié)構(gòu)擴(kuò)散或?qū)α鞯降驮摷僬f指出，減阻劑的存在，將使湍流中的應(yīng)變速率區(qū)后,將松馳至無規(guī)則線團(tuán)狀，其貯存的能量級聯(lián)發(fā)生極大變化,即當(dāng)紊動流體的雷諾應(yīng)能量則以彈性切應(yīng)力波的形式釋放給低波數(shù)渦旋力與減阻劑溶液的彈性應(yīng)力處于同一個數(shù)量級時，(大尺度渦旋)，大大減小了流體的流動動能的耗能量傳遞鏈就被“截斷”了,能量耗散無法達(dá)到最散,實(shí)現(xiàn)減阻.終狀態(tài),于是流動阻力就卜降了[38~40.減阻劑湍流減阻機(jī)理的黏彈性理論是De3.8表面隨機(jī)更新假說Gennes提出的[35].黏彈性假設(shè)不僅能解釋許多對于壁面湍流,其邊界層可分成3層:黏性底具有黏彈性的高分子聚合物和表面活性劑溶液的層、過渡層和湍流核心區(qū).黏性底層是靠近壁面的減阻現(xiàn)象,而且還能定量計算減阻率,也是從湍流薄層，其中存在間歇性的湍流脈動.如果把璧面湍物理的角度研究減阻機(jī)理、發(fā)展新的湍流減阻流流流動的動量傳遞邊界層看成是由-塊塊的動量動的定量分析理論的有力工具.然而Toonder361傳遞塊所組成，那么這些動量傳遞塊會隨機(jī)地被的應(yīng)力各向異性理論的研究使之受到了挑戰(zhàn).來自主流的流體微團(tuán)所更新，分解成新的流體單3.6應(yīng)力各向異性說元而產(chǎn)生旋渦,產(chǎn)生能量級聯(lián)，完成動量的傳遞和該假說認(rèn)為，聚合物分子在湍流邊界層中.能量的擴(kuò)散.受到拉伸而取向，從而引起的應(yīng)力各向異性是.該模型在湍流隨機(jī)理論和Dankwests表面更聚合物減阻的主要原因.為了證實(shí)這種觀點(diǎn)新理論[4]的基礎(chǔ)上，認(rèn)為牛頓流體中加入減阻劑Toonder[36]利用激光多背勒測速儀測量了近壁區(qū)后,由于減阻劑分子在管壁上形成一-層液膜, 以及的湍流統(tǒng)計量及湍動能譜,構(gòu)建了兩種模型:一減阻劑分子的伸展變形作用，使得管壁上的流體種是粘性應(yīng)力各向異性模型(viscous anisotropic塊難以被更新,阻礙了旋渦的生成,導(dǎo)致能耗減小model, VA), 另外一種是黏彈各向異性模型(is .而達(dá)到減阻作用.coelastic anisotropic model, VEA).通過直接數(shù)值模近年來,李鳳臣等(27,42]2 利用粒子成像測速儀擬(direct numerical simulation, DNS)分析了聚合通過實(shí)驗(yàn)研究間接測量了通道內(nèi)湍流(牛頓流體物結(jié)構(gòu)對近壁區(qū)應(yīng)力張量的影響.計算表明,VA模湍流和表面活性劑溶液湍流減阻流動)的近壁擬型的計算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好,而引入聚序結(jié)構(gòu)中國煤化，工頃率和強(qiáng)度,并合物彈性岡素的VEA模型的計算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)把間歇CNMHG作是量子化的據(jù)出入較大.這樣的研究結(jié)果很好地支持了Toon-能量塊，刈廠士而饑厚你阻力且按做出貢獻(xiàn),得到der“應(yīng)力各向異性說”的觀點(diǎn),對傳統(tǒng)的“黏彈說”了摩擦系數(shù)的湍流項(xiàng)與湍流猝發(fā)事件的發(fā)生頻率是一個挑戰(zhàn)和強(qiáng)度成線性關(guān)系的結(jié)論.相比于牛頓流體湍流,344力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷表面活性劑湍流減阻流動中的近壁擬序結(jié)構(gòu)的發(fā)為減阻起始點(diǎn)(對應(yīng)圖2中的Ren處).生頻率和強(qiáng)度大大降低，直接導(dǎo)致摩擦系數(shù)的湍流項(xiàng)大大降低,即湍流減阻的發(fā)生.10-1。幣液3.9其他●臧阻液從分子變形的角度, Keyes和Abernathyl43)1分析了渦管在剪切流中的進(jìn)化情況大分子的變形10-2運(yùn)動產(chǎn)生了兩種作用,即阻礙渦管的形成和對已形成的渦管阻礙其發(fā)育.這兩種作用的綜合效應(yīng)1020310405是降低了高分子稀溶液湍流的猝發(fā)周期,從而導(dǎo)Re致了湍流減阻.圖3減阻起始點(diǎn)4添加劑湍流減阻流動與換熱特性研究對應(yīng)于減阻起始點(diǎn),存在一個管壁切應(yīng)力的臨界值T,只有流動的壁面剪切應(yīng)力超過T",減如上文所說,具有湍流減阻效果的高聚物或阻效應(yīng)才顯示出來. T與管徑無關(guān)，僅與減阻劑表面活性劑溶液-般具有黏彈性這種流變學(xué)物性.類別和濃度有關(guān).黏彈性流體由于耍考慮它的黏性與彈性兩方面的應(yīng)啟戛44在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了T與聚合物影響,所以它的流動與換熱特性和牛頓流體相比分子量及特性黏度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式有很大區(qū)別.M[n] x 10-10 = -0.013 + 239(T)-1(2)4.1添加劑湍流減阻特性按照流動雷諾數(shù)(Re)增大的順序,黏彈性流式中: M為聚合物的平均分子量, g; [n]為聚合物體管道流動可以劃分為如下幾個區(qū)域(見圖2所的特性黏度,cm3/g;T:為臨界管壁切應(yīng)力,Pa.示，圖中f為范寧摩擦系數(shù)).Fabula45)以時間比尺為基準(zhǔn)，應(yīng)用Rouse-Zimm關(guān)于聚合物松弛時間的理論,推導(dǎo)出以卜關(guān)系式Blasius曲線RT=c(3)減阻溶液摩阻曲線式中:Rg為聚合物分子在靜止溶液中的同轉(zhuǎn)半徑m|均方根.Poiseuille由以上關(guān)系式可見，聚合物分子量越大(回轉(zhuǎn)曲線.Virk曲線半徑越小,減阻起始所要求的臨界壁面切應(yīng)力T:值越小，越容易出現(xiàn)減阻.上述關(guān)系式均只適用于聚合物稀溶液,因?yàn)镽erRer Res在聚合物稀溶液的情況下,同一種聚合物在同一管徑中可以認(rèn)為溶液濃度對起始點(diǎn)位置的影響不.圖2黏彈性流體管道流動特性示意圖大.在聚合物溶液濃度足夠大時,這一結(jié)論不再成(1)無減阻區(qū)和減阻起始點(diǎn)研究表明，對于高聚物或表面活性劑減阻劑對于給定的某種聚合物溶液,減阻起始點(diǎn)的溶液流動均存在一-個減阻起始點(diǎn), 在該點(diǎn)之前流Re數(shù)與管徑有關(guān).管徑越大， 減阻起始點(diǎn)的Re動無減阻現(xiàn)象出現(xiàn)，該點(diǎn)之前的區(qū)域稱為無減阻數(shù)越大,這種現(xiàn)象稱為管徑效應(yīng)區(qū),流體流動特性與牛頓流體相同.中國煤化工流動,其湍流減將高聚物稀溶液在管道中流動的摩阻曲線與阻現(xiàn)象HCN MH G分子在溶液內(nèi)部純?nèi)軇┑哪ψ枨€繪于同一-圖上(圖3),可見,開形成的棒狀結(jié)構(gòu)、進(jìn)m而網(wǎng)狀做觀結(jié)構(gòu),而針對這種始二者重合,從某一Re 數(shù)開始，溶液的摩阻曲線微觀結(jié)構(gòu)的生成過程、結(jié)構(gòu)特征等尚沒有理論模突然”偏離溶劑縻阻曲線.發(fā)生偏離的這一-點(diǎn)稱型可以描述,因此表面活性劑溶液流動的減阻起第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述345始點(diǎn)、臨界壁面剪切應(yīng)力等還無法通過理論來估T算,只能針對不同工況由實(shí)驗(yàn)來測量.(c/M)1/2 .(5)(2)減阻區(qū)II= aN2/3減阻起始后,便進(jìn)入了減阻區(qū),減阻能力隨雷諾數(shù)的增大而增大.純?nèi)軇┑耐牧鼢阕枨€在湍式中:T為斜率增量;c為溶液濃度,溶質(zhì)(g)/溶劑流光滑區(qū)符合Prandtl-Karman公式(g); M為聚合物分子平均分子量; N為聚合物分子的主鏈節(jié)數(shù);a為常數(shù),稱為斜率模數(shù),由實(shí)驗(yàn)得1/√F = 4.0lg(Re√F)-0.4(4)到a=7x 10-7; II為特性斜率增量,它的物理意義是單個高聚物分子對斜率增量的貢獻(xiàn).式中f為范寧(Fanning) 摩擦阻力系數(shù).利用以上兩個關(guān)系式，如已知聚合物分子主該摩阻曲線公式可以直線畫出,見圖4.高聚鏈節(jié)數(shù)和平均分子量,就可以預(yù)測不同濃度聚合物稀溶液的摩阻曲線在減阻起始點(diǎn)之后，也近似物溶液在減阻起始點(diǎn)以后的摩阻曲線的斜率增量,是一條直線,但斜率變陡.溶液縻阻曲線與溶劑摩從而預(yù)測一定雷諾數(shù)下的減阻率.阻曲線之間的斜率之差稱為斜率增量,記為T;T對于表面活性劑減阻劑，尚無相關(guān)理論來預(yù)標(biāo)志著減阻起始以后聚合物的減阻能力, T越大,測濃度與減阻率間的關(guān)系.減阻效果越好.且T與Re有關(guān),T一定時, Re數(shù)(3)衰減區(qū)越大，減阻效果越好.添加劑湍流減阻流動的減阻率不會隨著雷諾數(shù)的增大無止境地增加,對- -定添加劑濃度總存在一個減阻最大點(diǎn),當(dāng)雷諾數(shù)超過該點(diǎn)雷諾數(shù)(對應(yīng)圖2中Re2)以后，減阻進(jìn)入衰減區(qū),該區(qū)域的最大特點(diǎn)是,隨著雷諾的增大,減阻率急速卜降,最后減阻作用完全消失.(4)減阻失效區(qū)20上隨著流動雷諾數(shù)繼續(xù)增大,減阻率變?yōu)榱愕狞c(diǎn)稱為減阻失效點(diǎn)，減阻失效點(diǎn)之后的區(qū)域稱為減阻失效區(qū).添加劑湍流減阻流動出現(xiàn)如上所述的隨流動雷諾數(shù)而變化的不同流動區(qū)域的特點(diǎn),在定性上//是由于減阻劑溶液中導(dǎo)致湍流減阻發(fā)生的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)隨流動中剪切率變化的動態(tài)過程所致.減P-K線阻劑溶液內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)(高聚物減阻劑的大分子或表面活性劑減阻劑小分子形成的棒狀/網(wǎng)狀10K2SO4mg/l結(jié)構(gòu))在湍流中剪切力的作用下會發(fā)生同旋、纏0繞、拉伸、變形等運(yùn)動,歸根結(jié)底正是這些微觀結(jié)50構(gòu)的運(yùn)動(按照黏彈性理論,拉伸運(yùn)動起主要作用)與湍流渦之間的相互作用改變了原來的湍流結(jié)構(gòu)104Re√F和強(qiáng)度,使得湍流減阻現(xiàn)象發(fā)生.在剪切力很小時(流動雷諾數(shù)較小時),微觀結(jié)構(gòu)的拉伸等運(yùn)動不圖4斜率增量和濃度效應(yīng)足以與湍流之間發(fā)生作用,因此存在一臨界剪切對于給定的某種聚合物溶液,T與管徑無關(guān),中國煤化工觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動開僅決定于聚合物的濃度, T大致與濃度的平方根始與酒CN M H G用,即湍流減阻成正比,這種現(xiàn)象稱為濃度效應(yīng).起始點(diǎn)腿有男切刀利增大(譏動雷諾數(shù)的增大),更深入的研究得出了斜率增量與聚合物濃度微觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動增強(qiáng)，與湍流之間的相互作用也以及聚合物分子鏈節(jié)數(shù)之間的關(guān)系式[13)增強(qiáng),表現(xiàn)為湍流減阻效果增強(qiáng).隨著雷諾數(shù)繼續(xù)346力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷增大,流動內(nèi)部的剪切力會使得溶液內(nèi)部的微觀性流體流動的Re與Re'的關(guān)系來判別其流態(tài).結(jié)構(gòu)在發(fā)生如上各種運(yùn)動的同時,本身開始被局當(dāng)Re < Re'時,黏彈流流動處于層流狀態(tài);部撕裂,原來的長鏈結(jié)構(gòu)被破壞,湍流減阻效果開當(dāng)Re≥Re。時,黏彈流流動處于湍流狀態(tài).始減弱.當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定程度,剪切力使得得以臨界廣義雷諾數(shù)Re'e的確定如下[48]產(chǎn)生湍流減阻效果的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動狀態(tài)全部破壞掉,湍流減阻消失.Rec=二(8)另外,大量實(shí)驗(yàn)研究表明,對于給定的管道尺寸及流速(或雷諾數(shù)),各種高聚物或表面活性劑減其中:入c =2中(n).dlnnZ;n=n'=din(8V/D)i Zc阻劑的減阻率存在一個最大值減阻達(dá)到最大值為穩(wěn)定性參數(shù),對于冪律流體，Zc=808,n為之后，即使再加大溶液濃度,減阻率也不再增加，此壁面摩擦應(yīng)力，V_ 為管道流速，D為管道直徑.現(xiàn)象為最大減阻效應(yīng).達(dá)到最大減阻后的摩阻系.(1+3n\" (_ 1數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線稱為最大減阻漸近線它中(n)=n(- n) (n+2)與減阻劑種類、高聚物分子量、溶液濃度、管徑等因素?zé)o關(guān),是一條普適線.對于高聚物添加劑湍流4.2.3黏彈性流體流動的過渡過程減阻流動,Virk等[461提出了著名的Virk漸近線1990年，何鐘怡等人[4])與哈佛大學(xué)的Aber-nathy研究小組合作,在黏彈性流速度和能譜測量1/VF = 19.01g(Re√f)-32.4(6)以及湍斑實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,完善了Virk的非牛頓過對于表面活性劑添加劑湍流減阻流動,Zakin渡過程形式劃分.等[2]提出了不同的最大減阻漸近線圖5為何鐘怡等人(4)在圓管中實(shí)驗(yàn)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖上所繪的3條典型阻力曲線為:λ=4f = 1.26Re-0.55(7)(1)L為牛頓層流摩阻曲線式中λ為管道摩擦因子.16λ=R(9)4.2黏彈性流體流動的流態(tài)劃分和判別(2)T為水力光滑區(qū)牛頓湍流摩阻曲線4.2.1黏彈性流體的流態(tài)與牛頓流相同,黏彈性流體流動也存在層流0.3164λ=Re0.23(10)和湍流之分.(1)黏彈性流體的層流狀態(tài)(3)V為高分子稀溶液最大減阻曲線何鐘怡等人提出[47),黏彈性流體的層流狀態(tài)又可劃分為:牛頓型層流和非牛頓型層流.1/vF = 9.51g(Re√f)- 19.0(11)(i)牛頓型層流:與牛頓流的層流狀態(tài)相同.(i)非牛頓型層流: - -種高階有序的波動，可0.06 r8●1.5 mg/l以視之為非定常層流運(yùn)動,它是由于達(dá)到剪切率●8 mg/l閥值后聚合物分子由單純旋轉(zhuǎn)發(fā)展為旋轉(zhuǎn)與變形。70 mg/1疊加而形成的.<----- .(2)黏彈性流體的湍流狀態(tài)0.02 tv黏彈性流體的湍流狀態(tài)很復(fù)雜，目前還沒有合適的理論可以對其進(jìn)行準(zhǔn)確描述.然而，研究_x10-3發(fā)現(xiàn)，黏彈性流體只有在湍流狀態(tài)下才會出現(xiàn)減10阻現(xiàn)象,因此對其湍流狀態(tài)的研究將是日后研究Re的一一個重要領(lǐng)域中國煤化工.過渡過程[.H.CNMH G4.2.2黏彈性流流態(tài)的判別這3余出線可以把非十頓流分成4個區(qū),牛仿照牛頓流劃分層流和湍流的臨界雷諾數(shù),頓層流區(qū)(L區(qū))、非牛頓層流區(qū)(LV區(qū))、非牛頓對黏彈流定義一個廣義臨界雷諾數(shù)Re'e. 以黏彈湍流區(qū)(TV岡)、牛頓湍流區(qū)(V區(qū)). .第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述347定義由牛頓流型向非牛頓流型過渡的起始點(diǎn)可以在很大的雷諾數(shù)范圍內(nèi)保持層流形態(tài),在LV為反應(yīng)點(diǎn),該點(diǎn)對應(yīng)壁面剪切應(yīng)力用πo表示.對區(qū)內(nèi)逐漸向曲線V逼近，這就構(gòu)成了L-LV-V 型非牛頓流,由層流向湍流的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)對應(yīng)的壁面剪過渡.切應(yīng)力用n表示. 1975 年, Viklh給出了的和力4.2.4 臨界廣義雷諾數(shù)Re.與減阻起始雷諾數(shù)Ren的特性方程之間的關(guān)系A(chǔ)v2p0=胎(12)Re'與Re1之間的相對大小取決于非牛頓過式中:T為反應(yīng)點(diǎn)的管壁剪切應(yīng)力;Rc為聚合物渡過程的類型.非牛頓過渡過程的方式不同對應(yīng)分子的平均回旋直徑; v為溶液運(yùn)動黏性系數(shù); p .的Re'與Rer的大小也不同. T-TV型、L-TV型過渡情況下，Re。< Re; L-LV-TV型、L-LV-V型為溶液密度; A為實(shí)驗(yàn)常數(shù). .過渡情況下，Re。> Re1.8Rexv2p7x=二 D(13)4.3黏彈性流體湍流減阻流動速度場特性式中: m為轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的管壁剪切應(yīng)力; D為圓管直4.3.1高聚物添加劑湍流減阻流動速度場定量描述徑;Rek為轉(zhuǎn)捩臨界雷諾數(shù),與系統(tǒng)的背景湍動強(qiáng)由于對高聚物的大分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)物理性質(zhì)度有關(guān).等已有相當(dāng)?shù)难芯亢桶盐?，日前為?對于減阻劑由式(13)可知，因?yàn)镽ek不是一個常數(shù),隨系湍流減阻流動的定量描述幾乎都是針對高分子聚統(tǒng)背景湍動強(qiáng)度而變化,所以n也隨著系統(tǒng)背景合物添加劑的,而對表面活性劑添加劑減阻流動湍動強(qiáng)度而變化.的描述還只停留在定性的階段.對高聚物添加劑根據(jù)π和n的組合不同,非牛頓過渡過程存湍流減阻流動時均結(jié)構(gòu)的研究,目前的方法可分在4種方式:為兩種:實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計分析方法和半經(jīng)驗(yàn)半理論法.(1) T-TV型過渡4.3.1.1實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計分析法當(dāng)背景湍動較強(qiáng)時,若n< ro,先發(fā)生牛頓型通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和近似處理,得層流向湍流的過渡,因?yàn)樵诒诿媲袘?yīng)力(用T表示)到一些經(jīng)驗(yàn)公式.例如: Seyer和Metzner[50|用兩低于πo時,溶液流動呈牛頓型.當(dāng)r達(dá)到σo,開始個公式分段表述時均流速分布規(guī)律:產(chǎn)生非牛頓效應(yīng),發(fā)生非牛頓過渡,反應(yīng)點(diǎn)在T曲靠近壁面附近用層流線線上，由T進(jìn)入TV區(qū),因此稱為T-TV型過渡.U_ U*y(2) L-TV型過渡(14)v當(dāng)背景湍動較低時,若n > To,先發(fā)生牛頓流式中石為時均速度, u,為摩擦速度, y為距壁面距向非牛頓流的過渡,反應(yīng)點(diǎn)位于L曲線上.在向湍流過渡時，若減阻劑濃度很低,因阻力增大使T達(dá)離,v為運(yùn)動黏滯系數(shù).到或超過了To, 這時反應(yīng)點(diǎn)由L直接躍入TV區(qū),核心區(qū)用對數(shù)線因此稱為L-TV型過渡.一= 2.51n00 +5.5+ OB(15)(3) L-LV-TV型過渡U.v‘當(dāng)背景湍動較低時，若n To，先發(fā)生牛頓TYHCNMHG8(17)型層流向湍流的過渡,反應(yīng)點(diǎn)位于L曲線上.若減.然而，以上得到的流速分布公式并無太多的阻劑濃度很高,湍流背景不足以使其失穩(wěn),則溶液實(shí)際應(yīng)用價值.348力進(jìn)展2008年第38卷4.3.1.2半經(jīng)驗(yàn)半理論法浮物在非穩(wěn)定流動通道內(nèi)的穩(wěn)定性和減阻性能進(jìn)通過引入一些假設(shè)，建立描述高分子聚合物行了研究研究結(jié)果表明,纖維懸浮物對非穩(wěn)定流減阻流動的減阻規(guī)律的方程式，迄今為止, 已經(jīng)動的減阻率隨著其特征尺寸H的增大而增加.有很多學(xué)者通過不同的本構(gòu)方程和湍流模型建立(2)管民、郭鳳風(fēng)等[58]以背朗特動量傳遞理了描述高分子聚合物溶液流動減阻規(guī)律的方程式論為基礎(chǔ),按照卡門的3層模型,通過室內(nèi)模擬環(huán)我國的竇國仁[3~5]在這方面的研究結(jié)果比較具道對加入減阻劑的0號柴油在圓管內(nèi)的流動參數(shù)有代表性.的測定，計算了非牛頓流體管內(nèi)湍流邊界層的層竇國仁從黏彈性流體的Maxwell 方程式出發(fā),流內(nèi)層、過渡層、湍流中心的渦流黏度、渦流黏度導(dǎo)出了黏彈性流體在湍流條件下的內(nèi)部剪切力公與運(yùn)動黏度比、總應(yīng)力隨相對位置的變化等定量式在此基礎(chǔ)上應(yīng)用湍流隨機(jī)理論,得出了光滑明參數(shù),探討了高分子減阻劑對非牛頓流體流動特渠和管道中減阻湍流的時均流速分布公式和縱向性的影響.結(jié)果表明,加入高分子減阻劑主要是由脈動流速分布公式，并導(dǎo)出了其阻力系數(shù)變化規(guī)于降低了過渡層和湍流中心的渦流枯度而實(shí)現(xiàn)減律例如,對于光滑圓管流動,添加劑減阻湍流的小湍流應(yīng)力,從而降低流體流動的阻力.時均速度分布公式可寫為(53] .(3)陳仕偉(59]采用4常數(shù)Mxwll-Oldroyd可__=0.251n(1+ 10.V+ (5.8D2 +1.25)x模型研究了非牛頓流體邊界層流動,給出了邊界u。+ 5vD.層內(nèi)速度分布數(shù)值解,以及邊界層厚度、摩阻系數(shù).. U.y/(5vD.)+2.5u.y/(5vD.)_\沿程變化關(guān)系.結(jié)果表明,與牛頓流體情形類似，非(1 + v.y/(5vD)\1+ U.y/(5vD.)牛頓流體的摩阻系數(shù)和邊界層厚度均與Re(以主D.=1+auoH日流向位移為長度尺度的流動雷諾數(shù))成指數(shù)規(guī)律,(18)同時,發(fā)現(xiàn)減阻流動中的入口段流動,摩阻系數(shù)幾.其中a為無因次剪切力變化率的絕對值與無因次乎與Rex無關(guān)，只與松弛時間和推遲時間的比值流速梯度的絕對值的比值, u。 為摩擦速度, H為寬(用K表示)有關(guān).且K值的增大不僅會減弱湍流明渠的水深或管道的半徑θ為流體的松弛時間,流動的脈動產(chǎn)生的阻力,而且可以減少層流阻力.0m為聚合物分子的松弛時間, y為距壁面距離, v在相同的K值下，湍流減阻效率近于層流減阻效為運(yùn)動黏滯系數(shù).管道流動阻力系數(shù)可寫為[55率的一倍.隨著K值的增大，非牛頓流體的黏彈性增強(qiáng),剪切稀化性質(zhì)增強(qiáng),摩阻下降且管道入口段增長.該研究為探討高分子稀溶液管內(nèi)流動減(25_. 23.2D:+5_ 34.8D: + 10 .阻提供了理論依據(jù)Co= (2.(w.ro/5vD.)- (o.ro/5vD.)2)]x(4)李兆敏和蔡國琰[60]運(yùn)用混合長度理論和uD)+5.8D3+;34.8D2 + 10Maxwell流體模型,從理論上推導(dǎo)出了Maxwell流(1+(v+ro/5vD.)2(19)體在湍流流動過程中的速度分布和摩擦阻力系數(shù).其所得的速度分布和摩阻系數(shù)的表達(dá)式可以描述其中,ro為圓管半徑.出流動阻力的減小和層流向湍流轉(zhuǎn)捩的延遲.并4.3.1.3 我國學(xué)者的其它相關(guān)研究及其結(jié)果且用激光多普勒測速儀(laser doppler anemometer,(1)林建忠、邵雪明等[56] 采用FENEP模型LDA)測試了PAM水溶液的湍流及減阻特性,實(shí).對高雷諾數(shù)下二維黏彈性混合過程中擬序結(jié)構(gòu)的驗(yàn)結(jié)果和理論驗(yàn)證較吻合.演變進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.計算結(jié)果表明,在流場(5)吳玉剛等(61]提出了一一個高分子聚合物抑中加入聚合物,基波和次諧波的發(fā)展受到抑制,渦制湍流的模型，并依此推出了減阻流體的速度分量擴(kuò)散加強(qiáng)、減慢了配對時兩渦量的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這布公式和麼陽系數(shù)乃換執(zhí)系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.種影響隨Weissenberg數(shù)(流動特征時間與流體松中國煤化工弛時間之比)的增大而減小，但卻隨表征聚合物拉4.3.2l流動速度場的定HCNMHG伸特性的參數(shù)的增大而加強(qiáng).另外,與相同溶液粘工佃x度下的牛頓流體相比,配對過程中渦量完全合并如果說以上竇國仁等的理論研究使我們可以的時刻延遲了.林建忠、游振江等(57] 還對纖維懸定量地了解關(guān)于高聚物添加劑減阻流體的流動規(guī)第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述349律,那么下面王德忠等人的實(shí)驗(yàn)研究,使我們可以著降低且兩者主要在壁面附近(y+≈90)存在最定性地了解關(guān)于對表面活性劑減阻流體流動的速大差異.度場特性.以上實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與國外報道的一些相關(guān)研王德忠等[62) 應(yīng)用粒子成像測速儀(particle究結(jié)果一致(2.2.2.30.4.0.3.34.0image velocimetry, PIV) 和相位多普勒測速儀(phase doppler anemometry, PDA)在二維流道內(nèi)對r/ms"十六烷基三甲基氯化銨(Cetytrimethyl Ammonium0.421 5650.80.318 75Chloride,CTAC)表面活性劑溶液減阻流體湍流流0.2159340.113 119場進(jìn)行測量,得到了減阻流體湍流速度分布圖,得三出如^卜結(jié)果.s 0.4(1)減阻流體的速度梯度變化規(guī)律如圖6所示，在流道中心處減阻流體的速度梯度較水湍流流動時大,而在近壁面處則恰恰相反.并且在近壁面處,減阻流體的速度分布曲線趨近于牛頓流體層狀流動時的速度分布曲線，但并(a)水流不重合于此曲線.圖6中U為管道內(nèi)距離管壁y.r/m-s-1處的時均流速，U,為流動斷面平均流速,y為距壁0.501 360.0.375 958面的距離, H為二維矩形管道高度.的0:25500.41.2水0.2-1.00.2 0.4 0.6 0.8 1*/H. CTAC 60x10- 6kg/l(b) 60 mg/1 CTAC水溶液流動層流圖7通過PIv系統(tǒng)測得Re=41589,T=25°C時流場中瞬時速度空間分布輪廓線圖(62)1.5 2.04.4添加劑湍流減阻流動的傳熱規(guī)律y/(H/2)目前國內(nèi)對添加劑湍流減阻流動的傳熱規(guī)律圖6 25°C, Re=41 589時,通過PDA系統(tǒng)測得流場內(nèi)各的研究還比較少.下面分3個部分來對其進(jìn)行介點(diǎn)平均速度分布圖(光滑線表示牛頓層流流動場紹.第1部分為減阻流體傳熱特性的定性描述，第內(nèi)各點(diǎn)的平均速度分布)(62)2部分為減阻流體的傳熱控制措施,第3部分為湍(2)減阻流體時均速度空間分布流減阻流動對流換熱減弱的機(jī)理.減阻流體速度輪廓線圖在近壁面處與流道幾4.4.1添加劑湍流減阻流動的傳熱特性乎平行(圖7),且該平行輪廓線部分所占的比例較水湍流流動時相應(yīng)部分要寬很多.而且，在近壁面4.4.1.1高分子聚合物添加劑對湍流對流換熱的影處減阻流體的渦流隨機(jī)運(yùn)動幅度與水湍流流動時向相比明顯大大減小.由此表明,這些變化應(yīng)該都是我國對于高聚物溶液的對流換熱的研究報告,由于過渡層(彈性層)的變厚和近壁面處即黏性底最早見于1987年蔡國琰的流體黏彈性對湍流流動層速度梯度的減小而導(dǎo)致的.與傳熱中國煤化工采用混合長理另外，處于最大減阻狀態(tài)的溶液，其橫向速論和Y片CN MH C了阻力系數(shù)與度脈動和主流方向速度脈動均明顯小于牛頓流體;換熱系數(shù).晰冗衣明，貓彈任公降低流體的換熱性減阻流體的主流方向速度脈動和橫向速度脈動之能;所得的公式進(jìn)--步表明,黏彈性對換熱系數(shù)的間的關(guān)聯(lián)被抑制，其雷諾應(yīng)力與牛頓流體相比,顯影響與背朗特數(shù)和雷諾數(shù)有關(guān),隨著普朗特數(shù)增350力學(xué)進(jìn)畏2008年第38卷加,黏彈性影響加強(qiáng);隨雷諾數(shù)增加，影響變?nèi)?究.4.4.1.2表面活性劑對湍流對流換熱的影響利用表面活性劑剪切可逆性,考慮在管道局馬祥琯和陶進(jìn)(66通過對表面活性劑圓管內(nèi)部添加金屬網(wǎng)篩、蜂窩結(jié)構(gòu)、混合器、流體擠壓流動的減阻特性和換熱特性的研究發(fā)現(xiàn)，表面活器、旋渦發(fā)生器等破壞裝置的方式，對湍流減阻流性劑的加入使湍流在減阻的同時對流換熱系數(shù)也動的減阻和換熱可以進(jìn)行控制和調(diào)節(jié).其原理是大幅度降低另-方面也發(fā)現(xiàn),表面活性劑溶液具當(dāng)流體流過破壞裝置時,受到高剪切力的作用,使有剪切可逆性及溫變可逆性,利用該性質(zhì)可以對表面活性劑水溶液中的膠束結(jié)構(gòu)暫時被破壞,提其湍流的對流換熱進(jìn)行控制.剪切可逆性及溫變高破壞裝置下游流動的換熱效率;而后因?yàn)楸砻婵赡嫘詻Q定了表面活性劑減阻劑比高聚物減阻劑活性劑具有自恢復(fù)能力，待其棒狀膠束結(jié)構(gòu)重新具有更廣闊的工業(yè)應(yīng)用潛力,尤其是在有換熱設(shè)形成后,其減阻功能自動恢復(fù),從而達(dá)到整個系統(tǒng)備和泵的液體循環(huán)系統(tǒng)中.在減阻的同時提高換熱效率的目的.繼馬祥琯等對表面活性劑溶液的流動和換熱一些實(shí)驗(yàn)研究表明[70~74,表面活性劑減阻流特性的研究之后，直到近幾年才開始對其進(jìn)行進(jìn)體 在通過破壞裝置后，在其下游確實(shí)起到了強(qiáng)化一步的研究.2006年董正方等研究[67]表明,CTAC換熱的效果,同時減阻效應(yīng)減弱甚至消失;經(jīng)過一表面活性劑水溶液湍流減阻流動的換熱系數(shù)柯爾段距離的流動后， 減阻性能自動恢復(fù).朋因子(Colburn factor)與阻力系數(shù)之比(用K'表此外,還可利用添加劑湍流減阻現(xiàn)象的管徑示)與牛頓流體(水)的情況有較大差異.當(dāng)減阻效應(yīng)來進(jìn) 行流動和換熱的控制與調(diào)節(jié),前面已經(jīng)流體的減阻率穩(wěn)定時，隨著Re數(shù)的增大, K'值緩提到， 對于一定濃度的減阻劑溶液流動，管道的慢下降;達(dá)到減阻失效的臨界Re數(shù)后,K'值波動水力直徑越小，發(fā)生湍流減阻的臨界壁面剪切應(yīng)較大,并且K'值迅速增大到接近沒有添加減阻劑力越小(即減阻起始雷諾數(shù)越小。與之相似， 對的水平.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國外的相關(guān)研究結(jié)果--定濃度的減阻劑溶液流動,管徑越小，湍流減阻致13368.0.具體描述如下:效果開始減弱進(jìn)而消失的雷諾數(shù)也越小.利用這(1)當(dāng)CTAC水溶液減阻流動的減阻率穩(wěn)定一特點(diǎn)，可以在需要強(qiáng)化換熱處局部縮小管道水時,隨著雷諾數(shù)的增大,柯爾朋因子與阻力系數(shù)比力直徑使之對應(yīng)于該減阻劑溶液濃度下的減阻效值小于0.5且隨雷諾數(shù)增大緩慢下降;達(dá)到臨界雷果減弱或消失的管道直徑和流動雷諾數(shù),從而達(dá)諾數(shù)后,柯爾朋囚子與阻力系數(shù)之比值波動較大,到局部對流換熱強(qiáng)化的效果包括我國學(xué)者在內(nèi)，.并且比值迅速增大到接近0.5.已有一些研究結(jié)果證明了這一控制措施是有效(2)熱流密度對CTAC水溶液減阻流動傳熱的[6,75.系數(shù)與阻力系數(shù)之間的關(guān)系有影響.增大熱流密4.4.3湍流減阻流動的對流換熱減弱機(jī)理度后，靠近加熱板的CTAC水溶液的溫度升高到一定程度, 導(dǎo)致了減阻流體的膠束網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部分李風(fēng)臣等(3,33,33應(yīng)用LDV和微細(xì)熱電偶測被破壞從而出現(xiàn)阻力系數(shù)增大,同時傳熱性能增.量技術(shù)，首次測得了二維通道內(nèi)被加熱的表面活強(qiáng),使得CTAC溶液流動的柯爾朋因子與阻力系性劑水溶液湍流減阻流動中的速度場與溫度場的耦合信息，從而全面研究了減阻流動中對流換熱數(shù)的比值趨于不加CTAC時的情況.(3) CTAC水溶液減阻流動傳熱系數(shù)和阻力系減弱的機(jī)理.分 析結(jié)果表明，湍流減阻流動中溫數(shù)與希爾頓-柯爾朋類比關(guān)系存在差距,減阻率越度脈動與垂直于壁面方向速度脈動間相關(guān)性降低大,差距越明顯;減阻率越小,越接近希爾頓-柯爾(解耦現(xiàn)象),加上速度脈動強(qiáng)度降低，導(dǎo)致了垂直朋類比關(guān)系.于壁面的湍流熱流密度大大降低,根據(jù)推導(dǎo)出的由湍流熱流密度直接計算努謝爾特數(shù)的公式可知，4.4.2湍流減阻流動的換熱控制湍流減阻流動的努謝爾特數(shù)大大降低.另外,實(shí)驗(yàn)表面活性劑溶液在具有良好減阻性能的同時，研究還發(fā)現(xiàn)湍流減陽流動中的湍渦動量擴(kuò)散系數(shù)其流動的換熱性能卻顯著降低這-現(xiàn)象有利有及湍中國煤化工低弊.-方面,它有利于流體在傳遞過程中減少熱量iYHCNMHG的損失;另一方面,其所攜帶熱量的利用就出現(xiàn)困5減阻劑在找國時應(yīng)用情況難,對一些需要加強(qiáng)換熱的設(shè)備(如換熱器)影響了其工作效率.這就涉及到了有關(guān)傳熱控制的研目前,有關(guān)添加劑湍流減阻現(xiàn)象的研究已成第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述351為一門涉及到實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、計算流體力學(xué)、理論還能夠有效解決管線卡脖子引起的諸多問題流體力學(xué)、流變學(xué)、高分子化學(xué)等的邊緣學(xué)科,而例如有 -沿海采油/煉制綜合系統(tǒng),在去鄰近煉油減阻劑的應(yīng)用也成為獨(dú)特的綜合性工程廠的脫氣原油管線.上曾出現(xiàn)卡脖子現(xiàn)象,使得岸上的穩(wěn)定裝置不能夠更多接受海上輸送來的輕原5.1減阻劑在石油運(yùn)輸上的應(yīng)用油.加入減阻劑后，該Dg700管線減阻23%,增輸5.1.1國外減阻劑在石油運(yùn)輸上的應(yīng)用簡述(76~78]7%,使油田和煉廠的產(chǎn)量都得到了增加.1979年7月,美國縱貫阿拉斯加輸油管道試(4)使用減阻劑改善輸油的經(jīng)濟(jì)條件用高聚物減阻劑成功后,由于這種技術(shù)能大大提以眾所周知的縱貫阿拉斯加的管道為例，由.高管道運(yùn)力的彈性,在其后短短的幾年內(nèi)便有十于成功地應(yīng)用了減阻劑,停建了7號和11號泵站，幾條管道推廣應(yīng)用，其應(yīng)用范圍遍及北美洲、拉丁仍能經(jīng)濟(jì)地達(dá)到設(shè)計輸量的事實(shí).美洲、歐洲、亞洲和大洋洲.而且減阻劑減阻技術(shù)不但適用于陸上管道,也適用于海底管道.自205.1.2國內(nèi)減阻劑在石油運(yùn)輸減阻上的研究和應(yīng)用世紀(jì)80年代初以來,在世界范圍,陸上、海上有幾鑒于國外在減阻技術(shù)上的成功應(yīng)用，我國從百條輸油管道陸續(xù)應(yīng)用了減阻劑,迅速而經(jīng)濟(jì)地20世紀(jì)80年代初開始，也先后做了大量的減阻解決了許多棘手的問題,例如:劑減阻在輸油管道中的應(yīng)用試驗(yàn).在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,(1)應(yīng)用減阻劑以適應(yīng)季節(jié)的變化分析了減阻劑的增輸、減阻效果,及減阻劑在我國季節(jié)變化會引起對不同油品需求量的變化、實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)情況，為減阻劑在我國輸油管道油品牌號的變化，還會造成所輸油品物性的變化，中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).試驗(yàn)表明,減阻技術(shù)能夠得使輸送產(chǎn)生困難.為解決這些問題，國外已廣泛使以迅猛發(fā)展，除了技術(shù)上的先進(jìn)性外，經(jīng)濟(jì)上的合用了減阻劑，并獲得成功例如，美國西南部一理性也是重要的原因.在能源費(fèi)用,管道建設(shè)器材,條Dg200的成品油管道,曾遇到夏季汽油用量增人工費(fèi)用上漲的形勢下,與增建泵站,敷設(shè)副管相大,有96.56km管道出現(xiàn)卡脖子的問題這種短期比,減阻劑應(yīng)用具有快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢.而近年來,性的問題平衡不了投資費(fèi)用.結(jié)果采用減阻劑迅國內(nèi)減阻劑的研制也有很大飛躍, -些減阻劑已速、經(jīng)濟(jì)地解決了問題.摩阻下降了40%,使增輸能夠和國外的減阻劑媲美.國內(nèi)減阻劑的成功研28%成為可能.還有,美國海灣區(qū)一條Dg200輸油制,又為我國減阻劑的應(yīng)用大大降低了成本.管道因冬季柴油黏度上升影響了輸量,加減阻劑從1985年開始,我國已先后在鐵嶺-大連后使摩阻下降35%,保持了正常輸量.線[79,東營-黃島線[79), 東臨線[79), 格爾木-拉.(2)應(yīng)用減阻劑以適應(yīng)客觀條件的變化薩線[80),二連油田(1.,82, 新疆克拉瑪依-獨(dú)山子已建成的管道，其輸量前景一般是很難預(yù)測煉油廠管線(83,南輸(撫順至營口鮁魚圈)841,靖的，隨客觀條件的變化,輸量隨之變化，如市場情安-咸陽輸油管道楊洛段[85,86, 臨邑-濮陽一洛況發(fā)生變化、滿足油田未預(yù)見到的發(fā)展需要、適應(yīng)陽線181,東黃老線(黃島-齊魯)88),東辛線[89]等配額變化等.例如,位于美國海灣區(qū)的一條Dg300輸油管道上進(jìn)行了減阻劑在石油運(yùn)輸上的應(yīng)用試.汽/柴油輸送管道,由于市場的變化,煉油廠要求提驗(yàn),取得了明顯的減阻效果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益,同高其輸量15%,采用了減阻劑,使摩阻下降35%,經(jīng)時也發(fā)現(xiàn)了--些亟待解決的問題.濟(jì)、及時地解決了困難.又如，美國海灣區(qū)-一個近從這些應(yīng)用試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)石油輸送管道海大油田已穩(wěn)產(chǎn)了很久時間,近期又有了新發(fā)現(xiàn),應(yīng)用減阻技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):造成干線輸量不適應(yīng)的情況使用減阻劑后,減阻(1)采用加減阻劑輸送工藝后,經(jīng)濟(jì)效益很39%,輸量增大15%,解決了問題.可觀.如:楊洛段加劑運(yùn)行后，全年原油增輸(3)用減祖劑保證正常、均衡地輸油7.884x108 kg/年,去除減阻劑成本,年獲利2032萬保證設(shè)備檢修和故障處理期間油田、煉廠等元的正常生產(chǎn).如海上石油生產(chǎn)及運(yùn)輸設(shè)備的建設(shè)(2)現(xiàn)有管道系統(tǒng)添加減阻劑,可迅速提高管費(fèi)用極高,要求設(shè)備有極高的使用率,極低的備用道輸中國煤化工?？伸`活地調(diào)整率.在海上平臺上的設(shè)備進(jìn)行檢修及事故處理前輸油MHCN M H G交地創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)、后,采用減阻劑保產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)上是合理的.北海油田社會效m.曾采用此種方法進(jìn)行過生產(chǎn)，該Dg400管道用減(3)加劑運(yùn)行后運(yùn)行壓力可以大幅降低,管道阻劑減阻38%,保住了產(chǎn)量.運(yùn)營安全性提高,這對我國的運(yùn)行多年的老管線352力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷尤為重要.達(dá)31.7 %,增輸率達(dá)18.7%.(4)在-定程度上還可以提高輸送裝置的效(7)減阻劑的添加濃度越大,增輸效果越明顯.率,如:楊洛段,加劑后泵的效率有所提高,由加減但是當(dāng)濃度增加到一定程度時,再增加減阻劑的阻器前的64.06% (流量為480m/h),提高到加減濃度, 單位濃度減阻劑的減阻效率反而下降,故加阻劑后的65.9% (流量為570m3/b).劑濃度應(yīng)按需確定,不能盲日加大劑量.(5)因?yàn)槌善酚陀昧渴苁袌龊图竟?jié)的影響波(8)施加減阻劑只能使可能越站的管段提高動比較大，且我國油田產(chǎn)量變化幅度比較大，應(yīng)流量,而絕不能使不可能越站的管段能夠越站加用減阻劑技術(shù)可以在管道不改變現(xiàn)有設(shè)備條件下，劑越站輸送時，可以使管道先進(jìn)人越站輸送狀態(tài),增加管道輸量的彈性以適應(yīng)短期油田產(chǎn)量大幅度然后注人減阻劑提高越站流量.的變化.特別是在卡脖子段,加減阻劑后就可以使此外,減阻技術(shù)雖有以上一系列的優(yōu)點(diǎn),但對整個管道輸量增加，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著.于需要長期增輸?shù)墓芫€,應(yīng)用減阻劑的方案則可(6)利用減阻技術(shù)可對長輸管道系統(tǒng)進(jìn)行減能不是最優(yōu)因?yàn)樵诠艿垒斔椭?影響輸量的因素站、越站操作,降低輸送能耗和操作成本,增加了是多方面的，其中有一大內(nèi)素就是管道的摩擦阻生產(chǎn)管理的靈活性.此外,還可實(shí)現(xiàn)在不停輸狀態(tài)力在管流中添加減阻劑只是從改變流體的流動下對泵機(jī)組或泵站進(jìn)行檢修維護(hù)、更新改造,降低特性來降低摩擦阻力損失,而不是由管道本身來維修改造成本.解決間題.減阻技術(shù)作為一種短時間應(yīng)急措施有此外，管道減阻還可以大幅度節(jié)省新建管線其無比的優(yōu)越性.但對需長期增輸?shù)墓艿纴碚f，不建設(shè)投資.新線設(shè)計中一個很重要的依據(jù)就是管僅需要大量的減阻劑，使其經(jīng)濟(jì)效益不明顯，而且道的年輸量,但對管道輸量影響因素有許多是不在輸送系統(tǒng)中增加了減阻劑注入裝置,使其整個確定的.如對油田儲量的估測不可能做到十分精系統(tǒng)的操作量、故障率大大提高,不利于日常操作確，市場條件要求管道輸量的變化及油品種類的管理所以對減阻技術(shù)既要做到優(yōu)先考慮,又決不.改變等等.這一些不確定岡素,在新線設(shè)計中不可能盲目應(yīng)用,只有這樣才能發(fā)揮減阻技術(shù)的長處.能考慮很全面、很具體,可根據(jù)相對經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)作隨著資料的積累，現(xiàn)在已經(jīng)可以不通過環(huán)道為設(shè)計依據(jù),留下一部分設(shè)計余量,用減阻技術(shù)來試驗(yàn),直接用計算機(jī),由原油的性質(zhì)和管道的數(shù)據(jù)平衡這部分余量.減小管徑、壓縮泵站建設(shè)規(guī)?？杀容^精確地取出減阻數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了人力和資大大節(jié)省新線的建設(shè)投資.源.如, 美國CBLFLO程序.我國也進(jìn)行了相關(guān)在石油輸送管道應(yīng)用減阻技術(shù)也存在如下注研究,例如建立了加減阻劑后水力坡降與原油流.意事項(xiàng):量、黏度、管徑的關(guān)系及減阻劑濃度與流量、黏度、管徑關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,并用遺傳算法(genetic(1)加劑油流必須避免嚴(yán)重剪切.(2)如果只是瓶頸段減阻，就必須找出哪一段algorithm, GA) 優(yōu)化技術(shù)分別求得兩個模型中的同歸參數(shù),用實(shí)例檢驗(yàn)了模型的可靠性和準(zhǔn)確或哪幾段是瓶頸段.性191].(3)對于有翻越點(diǎn)的管段，減阻只在油流到達(dá)翻越點(diǎn)前才有意義，過了翻越點(diǎn)就沒有任何意義5.2減阻劑在水系統(tǒng)中的應(yīng)用20世紀(jì)60年代中期以后,添加劑減阻開始步(4)在對高黏度原油應(yīng)用減阻劑提高輸量時，入工程實(shí)際應(yīng)用階段,在軍事技術(shù)、石油運(yùn)輸、給最好同時先采取化學(xué)方法降低原油的黏度.這樣,排水工程、防洪、消防、供熱工程等領(lǐng)域得到不同可大幅度減少減阻劑的加入量，得到更大的經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用.現(xiàn)列舉幾個典型的應(yīng)用領(lǐng)域加以說明.效益.5.2.1減阻劑在消防栓上的應(yīng)用1901(5)減阻劑在低雷諾數(shù)條件下，也能發(fā)揮很好將長鏈型高分子聚合物注入到管內(nèi)流動的水的減阻效能.如:新疆克拉瑪依.獨(dú)山子煉油廠中可以大幅度減低流動阻力、增加流量,在噴射管線，該管線平均雷諾數(shù)僅為4000, 管線輸量在流時中國煤化工程.消防車輸水15mg/l的穩(wěn)定注入下，增輸率達(dá)到50%.滅Hc N M H G和噴射流的組合(6)大口徑長輸管道加劑仍有很好的增輸效過程.仕用防水十加入減阻劑降低流動阻力可大:果.如:在楊洛段,管徑為φ377加入了23~26mg/l大提高消防水的射程和流量,增強(qiáng)了消防系統(tǒng)的的QUICKFL0W/S系列減阻劑后,其輸送減阻率能力.第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述上海機(jī)械學(xué)院[91]對減阻劑在消防系統(tǒng)中應(yīng)流量增加50%以上，射程增加一-倍以上.表2是他用的研究表明，在消防車上采用150mg/l的pw-D們對不同管徑的麻質(zhì)水帶平地鋪設(shè)的對比試驗(yàn)的高分子減阻劑后,管路的減阻百分?jǐn)?shù)達(dá)60%以上,結(jié)果.表2不同管徑的麻質(zhì)水帶平地鋪設(shè)的對比試驗(yàn)的結(jié)果序號對比水泉出口壓力輸水 干線(麻質(zhì)水帶)φ19mm水槍進(jìn)口壓J(kPa)(kPa)管徑/mm長度/m4支水槍3支水槍 2支水槍 1 支水槍清水88263.788.2161.7?0600減阻82166.6225.487.168.6156.8254.83040045362.6539300264.6519.4通過理論以及表2中數(shù)據(jù)的分析,對消防減阻效果越好.在長距離輸水時,用一輛消防車減阻阻可得到如下的結(jié)論:輸水,可發(fā)揮2~3輛車的作用.對消防車無法開進(jìn)(1)減阻后水槍進(jìn)口壓力會增大.實(shí)驗(yàn)表明,水消防區(qū)的情況,該作用尤為重要.槍進(jìn)口處的壓力比清水時高-倍以上, 最高達(dá)3倍5.2.2減阻劑在輸水系統(tǒng)中的應(yīng)用(如序號3對比試驗(yàn)).水槍進(jìn)口壓力越大,射程越高,故可作為高層滅火供水的有效措施之- -.一個水循環(huán)系統(tǒng),都具有水泵與管道.前面(2)減阻后管路輸水量提高,減阻后管路的輸我們已談到了減阻劑對管道的減阻效果極為明顯,水量增加了一倍以上(如序號1對比實(shí)驗(yàn)).輸水如果對水泵同樣有減阻效果,則減阻對輸水系統(tǒng)量的提高，可以更有效地?fù)錅缁馂?zāi).的作用就更大了.上海機(jī)械學(xué)院對2BA-6離心式(3)影響減阻效果的因素包括管徑、管路長水泵的減阻試驗(yàn)證明[92),減阻可以提高水泵效率,度、管路流量.管徑越小，減阻效果越明顯;對同且減阻劑的濃度越高,水泵的效率越高.因此,對-干線而言，出水槍越多(流量愈大)其減阻效果輸水系統(tǒng)的減阻,不僅大大提高了輸水能力還對愈明顯;對于大功率消防車,輸水量很大,所以加節(jié)約電耗具有很大的意義.表3是水泵的相對流上減阻裝置后,可以如虎添翼;輸水管線越長,減量Q= 1時的數(shù)據(jù)表.表3水泵的相對流量Q= 1時的水泵效率的變化數(shù)據(jù)減阻劑皂角粉PEOPWC_減阻劑濃度/mg.1-110000水泉效率提高百分?jǐn)?shù)4.7%17.2%9%15.2%在農(nóng)田灌溉的水系統(tǒng)中也曾有減阻劑的實(shí)分子聚合物，使射流的密集度增加,從而對煤層單際應(yīng)用實(shí)例,美國聯(lián)碳公司報導(dǎo)了應(yīng)用減阻劑位面 積上的沖蝕水量增加，因此可以大大提高采增加農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的流量，使灌溉面積增加了煤速度.215%[93].與采煤相類似的場合是油田的沖蝕鉆井.在5.2.3 減阻劑在水力采煤和油田沖蝕鉆井中的應(yīng)用采用鉆頭鉆井的同時，在鉆頭上采用超高壓水對巖石進(jìn)行沖蝕,可以成倍地提高打井的速度.如果水力采煤;是用高壓水的噴射流沖蝕煤層根在沖蝕鉆井的超高壓水中加入微量的高分子減阻據(jù)高分子聚合物減阻劑在噴射流時可以增加射流劑，將中國煤化工力進(jìn)一步提高的密集度和射程可知，如果在水泵的進(jìn)口加入微打井的CNMHG量的高分子減阻劑，則可以提高水泵效率并減少管道的阻力損失，從而提高了噴管的進(jìn)口壓力，即5.2.4減阻劑在明渠中的應(yīng)用提高了噴射壓力;再則由于射流中含有鏈狀的高明渠水流減阻可以增大泄量,從而達(dá)到減小354力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷排水構(gòu)筑物尺寸、削減工程投資的日的.應(yīng)用減市排水工程,尤其在來水流量超過管道設(shè)計能力,阻技術(shù),除了增大水庫泄放,城市泄洪以及污水排或出現(xiàn)超設(shè)計重現(xiàn)期的降雨時,運(yùn)用減阻技術(shù)大放的作用外，還可作為超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)特殊防護(hù)的一幅度降 低管道流動阻力，加大排量,從而消減積水種措施(例如在非常情況下防御洪水災(zāi)害).內(nèi)澇,可獲得理想的經(jīng)濟(jì)和社會效益.但日前為止,對高聚物用于明渠減阻的基本規(guī)律研究表明，尚術(shù) 有在我國的應(yīng)用實(shí)例的報道.高聚物減阻在明渠中具有顯著的減阻效果,且減5.2.6減阻劑在集中供熱與空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用阻百分比隨溶液濃度、渠道底坡及水力半徑的增集中供熱與空調(diào)系統(tǒng)任我國已經(jīng)成為耗能大大而增大.馬祥琯等人(941 通過高聚物溶液明渠減阻特戶,其中大量能耗消耗在水泵上用來輸送熱水或冷凍水、冷卻水.減阻技術(shù)在集中供熱及空調(diào)水輸性的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究,得到以卜結(jié)論:配系統(tǒng)的應(yīng)用可以通過降低水系統(tǒng)管路的摩擦阻(1)國產(chǎn)PAM對明渠水流有顯著的減阻效果,力來極大地降低泵耗,同時可以提高水輸送熱量在其實(shí)驗(yàn)條件下最高減阻百分比達(dá)32%,最高流(冷量)的能力,有助于減少輸配管網(wǎng)的初投資,從量增加百分比達(dá)19.5%;而具有廣闊的節(jié)能前景.(2)明渠水流高聚物減阻與管流減阻相同,溶減阻劑減阻技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用研究液濃度越大、雷諾數(shù)越大,減阻效果越好;在國外已有報道.例如,在1986 年丹麥就開展了(3)明渠水流的減阻效果受底坡影響,在一定減阻技術(shù)在供熱系統(tǒng)熱水輸送中的研究工作.迄雷諾數(shù)下，底坡越陡減阻百分比越大;今為止,丹麥已成功地研制了多種可用來輸送熱(4)明渠水流的減阻效果受水力半徑影響,水水及冷凍水、冷卻水的高分子聚合物或表面活性力半徑越大減阻百分比越大,底坡越陡,減阻百分劑減阻劑， 并且用于實(shí)際系統(tǒng)中.日本在這方面也比增長越快.開展了大量的研究工作,在很多供熱、集中空調(diào)系統(tǒng)中已經(jīng)得以應(yīng)用.但在我國，這方面的應(yīng)用研究5.2.5減阻劑在排水管道上的應(yīng)用國外研究添加劑減阻在排水工程中的應(yīng)用，還處于起步階段.最初見于1969年美國西部公司的研究報告.報6結(jié)語告綜述了德克薩斯州達(dá)拉斯市北部在φ610mm,長1250m的排水管上進(jìn)行的添加劑減阻試驗(yàn),以上僅從減阻劑的特性研究、添加劑湍流減證明能有效緩解排水管道的超載.隨后在附近阻機(jī)理研究、有湍流減阻發(fā)生時的對流換熱機(jī)理.φ450mm的排水管上建成永久性自動投放減阻劑研究、減阻劑的應(yīng)用研究等幾個方面作了綜合評站，以解決大暴雨時排水能力的不足此外, 新述.由于篇幅所限,在介紹各方面的研究成果時并澤西州柏根的污水排放系統(tǒng)和英國的Britol 東米列舉很多的研究工作,而是試圖說明從眾多研部Knowle排水系統(tǒng)均成功運(yùn)用了減阻劑減阻究工作中所得出的具有代表性的結(jié)論;另外,對湍技術(shù)綜合國外的研究, 排水管道直徑范圍為流減阻領(lǐng)域的研究方法方面的進(jìn)展情況,尤其是200~1 524 mm,所用減阻劑主要有Polyox WSR-直接數(shù)值模擬技術(shù)及現(xiàn)代激光測試技術(shù)在流體動301 (非離子PEO類減阻劑)、ICJ Amerial 4930力學(xué)研究中的應(yīng)用方面也未單獨(dú)詳細(xì)評述.(PAM類減阻劑)、DOW" SAP-302等投加濃度為從以上綜述可見,自Toms效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)至今的20~50mg/,增加流量達(dá)20%~25%.在不經(jīng)常發(fā)生近半個世紀(jì)里,對添加劑湍流減阻的研究已取得超設(shè)計來水的條件下,應(yīng)用添加劑減阻技術(shù)來做了一系列重要的實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值分析方面的研為應(yīng)急措施,比增設(shè)管道和擴(kuò)建排水泵站,更為經(jīng)究成果.盡管如此,在這一-研究領(lǐng)域中 仍有許多問濟(jì)，題亟待解決，例如目前還沒有可以解釋添加劑湍我國許多老城區(qū)的排水系統(tǒng)已不能滿足需要,中國煤化工還沒有針對添加每當(dāng)大雨之后就會出現(xiàn)積水地段,甚至內(nèi)澇成災(zāi).劑YH.CN M H G諾數(shù)下可靠的定因此,有必要結(jié)合我國市政建設(shè),開展添加劑減阻量分析刀法、從而沉物埋時用度對減阻劑溶液湍在排水工程中應(yīng)用的研究,為緩解排水設(shè)施不足,流(或處于減阻狀態(tài)下的湍流流態(tài))流動的認(rèn)識還防御內(nèi)澇災(zāi)害,提供新的技術(shù).添加劑減阻用于城很不足、對減阻劑溶液流動中的微觀結(jié)構(gòu)的適時第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動與換熱研究綜述355動態(tài)特性的研究還很匱乏等等.在減阻劑的實(shí)際18 Pinho F T, Whitelaw J H. Flow of non Newtonian fuids應(yīng)用方面，尤其是除了原油的長距離輸送以外的in a pipe. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,1990, 34: 129~144其它應(yīng)用方面，國外已有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，例如歐洲19 Walker D T, Tiederman W G. Turbulent structure in a的東部和北部,以及美國、加拿大、8本和韓國的channel flow with polymer injection at the wall. Journalof Fluid Mechanics, 1990, 218: 377~403某些城市中的區(qū)域供熱/供冷系統(tǒng)(被認(rèn)為是表面20 Harder K J, Tiederman W G. Drag reduction and turbu-活性劑減阻劑最有應(yīng)用潛力的水循環(huán)系統(tǒng))中已lent structure in two dimensional channel flows. Philo-sophical Transactions of the Royal Society, Series A成功應(yīng)用表面活性劑減阻劑來達(dá)到節(jié)能降耗的效(Physical Sciences and Engineering), 1991, 336(1640):果[95~9),而我國在這方面則相對落后，有的尚處19~34于起步階段.鑒于添加劑湍流減阻技術(shù)具有很大21 Wei T, Wilmarth w w. Modifying turbulent structurewith drag reducing polymer additives in turbulent channel經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會價值,急需在已取得成果的基礎(chǔ)fows. Jourmal of Fluid Mechanics, 1992, 245: 619~6412 Warholie M D, Schmidt G M, Hanratty T J. 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Studies (experimental study, theoretical analysis, numerical simulation and applicationtests in real systems) over around a half century since its discovery have provided much understanding on theturbulent drag reduction phenomenon and its value in applications. Nevertheless, there are still some aspectswhich need to be investigated further, for example, the turbulent drag reduction mechanism. The currentresearch status in the field of turbulent drag- reducing fow and heat transfer with polymer or surfactant additivesis reviewed in this paper. The characteristics of turbulent drag reducing flow and heat transfer are summarizedin the following aspects: properties of turbulent drag reducers, mechanisms of turbulent drag reduction withadditives, mechanisms of convective heat transfer with turbulent drag reduction, and distribution of the velocityand the heat transfer control in drag-reducing flow. Furthermore, the applications of turbulent drag reducersin the industrial systems are discussed. Some new insights on the mechanism of turbulent drag reduction byadditives, mechanism of convective heat transfer with drag reduction, are also reviewed.Keywords polymer, surfactant, turbulent drag reduction, cc中國煤化工avingYHCNMHG" The project supported Harbin Specialized Ressearch Fund for Scientific Technology in Novation (5006RFLXS013)↑E-mail: lifch@hit.edu.cn