（核能科学与工程专业论文）ctac减阻流体实验研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 c t a c 减阻流体试验研究 摘要 在区域供冷暖系统中应用c t a c 减阻流体可以减少热流体在传送过程 中的热量损失，降低泵输送的能耗，从而节约能源，减少一次能源消耗 而产生的环境污染。但所输送热能的利用需要加强该流体的传热。因此 需要发展出一种自适应的控制手段，控制c t a c 减阻流体的传热，而这就 需要了解c t a c 减阻流体的减阻与传热机理。由于添加c t a c 表面活性剂 后，溶液的内部结构和性质发生了很大的变化。这些内部结构的变化才 是引起外部宏观减阻和传热特性的原因，本实验就是从这个观点出发， 将物性与流动和传热联系起来开展了以下的工作，并获得了十分有价值 的数据和结论： ( 一) 设计、搭建了动态性能试验台，并完成了试验台的设备安装调 试，对实验工况进行了测量，并完成了对结果的分析。 ( 二) 开展了表面活性剂c t a c 在硬水中的稳定性实验，确定了其在 硬水中具有最好的稳定性。 ( 三) 开展了c m c 和c 。测定实验，确定了动态实验需要的浓度值，同 时了解外界因素对这两个浓度的影响情况。通过实验发现了以下现象： 温度对这两个浓度的变化影响是明显的，随温度的增加，c m c 和 上海交通大学硕士学位论文 c 。会逐渐增大。 电解质浓度( 与c t a c 的比例) 变化时，与c t a c 混合后( 此溶液 以下简称混合溶液) ，其c m c 也将相应的变化，通常随浓度的增加，混 合溶液的c n c 和c 。将下降，并且同一物质对c m c 和c 。的影响是不同的， 具体的作用效果取决于物质的化学结构和物化特性。 ( 四) 对2 0 个运行工况进行了相应的性能实验，测定了每个工况下的 减阻性能。对获得的性能数据与经验公式进行了比较和分析；利用粒子 动态分析仪，对进行了速度场测量，并对获得的速度场测量数据进行了 频谱分析和相关函数分析，得到了以下结论： 在固定温度和某段范围的r e 下，要获得较好的减阻效果，添加剂的 浓度和n a s a l 的量要选择一个最优值。 较大浓度的粘弹性流体在低r e 下是增阻的，同比例的情况下，浓度 越高，阻力越大；在相同c t a c 浓度的情况下，n a s a l 的比重越大，阻力 越大，特别是在较低r e 的情况下，增阻的效果十分明显。 温度对不同浓度粘弹性流体的减阻效果影响是不一样的。对牛顿流 体和高浓度( 8 0 0 p p m ) 的c t a c 流体，当温度增高时摩擦阻力加大，而对 1 7 0 p p m 的c t a c 流体阻力却减小了。因此浓度的选择对获得较好减阻效果 非常重要。 n a s a l 加入量的不同，在c t a c 浓度增加时，时均速度曲线的变化是 不同的。实验还发现，时均曲线和s 的形状越接近，减阻效果越好。 上海交通大学硕士学位论文 实验发现c t a c 减阻流体在垂直于主流方向上的时均速度脉动比水 的小很多，基本上是水的脉动速度1 2 。 在主流速度方向上，粘弹性流体存在低幅低频的周期性运动。在垂 直于主流方向上的速度就没有周期性的脉动了。 c t a c 减阻流体各向异性较明显。 c t a c 减阻流体在壁面附近的周期运动在温度高时比温度低时要强， 到壁面距离越远周期运动越不明显。而在v 方向上，温度的影响不明显。 互相关性也没有较大的改变。 球状或盘状胶束也有减阻现象产生。) 关键字：c t a c ，粒子动态分析仪，信号处理 i i i 圭塑奎望盔兰堡主兰垡垒苎一 e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho fc t a cd r a gr e d u c ln gf l o w a b s t r a c t i nl o n gd i s t r i c th e a t i n g c o o l i n g ( d h c ) s y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no fc t a c d r a g r e d u c i n gf l o wc a nm a k e t h el o s so fh e a tr e d u c e d ，t h ec o n s u m p t i o no f p u m pd e p r e s s e d ，e n e r g ys a v e d ，t h ep o l l u t i o n c a u s e db yb u r n i n gr e s o u r c e r e d u c e d b u th e a t - t r a n s f e rm u s tb ee n f o r c e di no r d e rt om a k eu s eo f t h eh e a t t r a n s p o r t e db yd r a g r e d u c i n gf l o w s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o p s o m ek i n do f a u t o a d a p t i n g m e t h o dt oc o n t r o lt h eh e a t - t r a n s f e ro fc t a cd r a g r e d u c i n g f l o w t h ei n t e rs t r u c t u r ea n df e a t u r eo fs o l u t i o nw i l lm a k eg r e a tc h a n g e sa f t e r s o m ea d d i t i v ei sa d d e d a n dt h ec h a n g e so fi n t e rs t r u c t u r ew i l lc a u s et h e d r a g - r e d u c i n ga n d h e a t - t r a n s f e r t h i se x p e r i m e n tc o m b i n et h ep h y s i c a lf e a t u r e o fs o l u t i o nw i t ht h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e ra n dd e v e l o pt h ef o l l o w i n gw o r k u s e f u ld a t aa n dc o n c l u s i o ni sm a d ei nt h i se x p e r i m e n t d e s i g na n dd e v e l o p ae x p e r i m e n t a lu n i t ，i n s t a l la n dd e b u ga l lt h e c o m p o n e n t sa n dt h eu n i t ，d oe x p e r i m e n ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n da n a l y z e t h ed a t a i g o t d e v e l o p t h ee x p e r i m e n t 一一s u r f a c ea c t i v ea g e n t s 一d e t e r m i n a t i o no f s t a b i l i t yi nh a r dw a t e r a n dc o n f i r m t h a tc t a ch a st h ee x c e l l e n ts t a b i l i t y 圭壅茎望查兰堡主兰堡堡苎一 ( 3 )d e v e l o p c m ca n dc te x p e r i m e n tt oc h o o s et h ec o n c e n t r a t i o nn e e d e d i n d y n a m i c a le x p e r i m e n t a n dk n o wh o wo u t e rf a c t o ri n f l u e n c et h et w o c o n c e n t r a t i o n s o m ep h e n o m e n o nw a sf o u n d w h e nt e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d ，t h ev a l u eo f c m ca n d c tw i l li n c r e a s e w h e n t h ec o n c e n t r a t i o no f e l e c t r o l y t ei si n c r e a s e d ，t h ev a l u e o fc m ca n d c t w i l ld e c r e a s e t h ei n f l u e n c et h a te l e c t r o l y t em a k eo nt h et w oc o n c e n t r a t i o ni s u pt ot h ec h e m i c a ls t r u c t u r ea n dp h y s i c a lf e a t u r eo f t h i ss u b s t a n c ea d d e di n s o l t a t i o n m e a s u r ev e l o c i t yi nt w o d i m e n s i o n a lc h a n n e la n dd ot h ec a p a b i l i t y e x p e r i m e n to f d i f f e r e n tf l o w c a p a b i l i t yd a t aa r ec o m p a r e dw i t he x p e r i e n t i a l e q u a t i o na n dv e l o c i t yd a t aa r ea n a l y z e db ys i g n a lp r o c e s s i n g ( f r e q u e n c ya n d 。 r e l a t i o nf u n c t i o n ) t h ef o l l o w i n gi sc o n c l u s i o n sw eg o tf r o mt h e s ed a t a ： i no r d e rt oh a v eg o o de f f e c to fd r a g r e d u c i n g ，i ti sn e c e s s a r yt o c h o o s e o p t i m i z e d v a l u e sf o rt h ec o n c e n t r a t i o no fa d d i t i v ea n dn a s a l v i s c o u s e l a s t i c i t yf l o w w i t hh i g hc o n c e n t r a t i o nh a sh i 曲f r i c t i o nf a c t o ra t l o wr e w h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni si n c r e a s e d ，t h ef r i c t i o nf a c t o ri si n c r e a s e d w h e nt h ea m o u n to f n a s a li si n c r e a s e d ，t h ef r i c t i o nf a c t o ri si n c r e a s e d t h ee f f e c tt h a tt e m p e r a t u r et a k eo nv i s c o u s e l a s t i c i t yf l o ww i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o ni sd i f f e r e n t f o rn e w t o nf l u i da n dc t a cd r a g r e d u c i n gf l o w w i t h h i g hc o n c e n t r a t i o n ，t h e f r i c t i o ni si n c r e a s e dw h e nt e m p e r a t u r e i s i n c r e a s e d b u tf o rc t a c d r a g r e d u c i n gf l o ww i t hm e d i u m c o n c e n t r a t i o n ，t h e v 圭塑窒望奎兰堡主兰堡笙苎 f r i c t i o ni sd e c r e a s e dw h e n t e m p e r a t u r e i si n c r e a s e d w h e nn a s a l i sa d d e di n t os o l u t i o na n dt h ec o n c e n t r a t i o no fc t a ci s i n c r e a s e d ，t h ec h a n g eo f m e a nv e l o c i t yp r o f i l ei sd i f f e r e n t i ti sa l s of o u n d t h a t g o o dd r a g - r e d u c i n gc a l lb eg o t w h e n v e l o c i t yp r o f i l ei n c l i n et of i g u r es t h es t r e a m w i s em e a nv e l o c i t yo fd r a g r e d u c i n gf l o wi sa sl o w a sh a l fo f t h a to fw a t e r v i s c o u s e l a s t i c i t yf l o w 、sm o v e m e n t i s p e r i o d i cw i t hl o wr a n g ea n dl o w f r e q u e n c y t h i sk i n do f m o v e m e n tc a l ln o tb ef o u n di nt h eo t h e ro r i e n t a t i o n d r a g r e d u c i n g f l o wi sa n i s o t r o p i c w h e n t e m p e r a t u r e i s i n c r e a s e d ，t h ec y c l e m o v e m e n to fc t a c d r a g - r e d u c i n g f l o wi si n t e n s en e a rt h e w a l l t e m p e r a t u r e s e e m sn o tt o i n f l u e n c eo no r i e n t a t i o nva n dc r o s s r e l a t i o no fc t a cd r a g r e d u c i n gf l o wi s n o tc h a n g e d d r a g r e d u c i n gm a ya p p e a rw h e n b a l l - l i k em i c e l l ea n dp l a t e l i k em i c e l l e e x i s ti ns o l u t i o n k e yw o r d s ：c t a c ，p a r t i c l ed y n a m i c a la n a l y z e r ，s i g n a lp r o c e s s i n g v i 符号 s y m b o 符号说明 名称 n a m e k n u d s e n 准则( 用于判断边界滑移) 气体分子运动的平均自由程 流动的特征长度 临界胶束浓度 特征浓度 流动诱导结构 表面活性剂减阻上限绝对温度 胶束聚结数量 浓度 物质摩尔量 c t a c 在胶束聚结中的组分 雷诺数 无量纲速度 摩擦速度 壁面剪切应力 密度 平均速度 经正规化的高度值 运动粘度 流动方向上的速度分量 垂直流动方向上的速度分量 二维流道高度 二维流道中测量点到壁面的距离 相对于均方根温度的温度脉动 摩擦温度 壁面热流 比热 减阻率 参考摩擦阻力系数 摩擦系数 双电层厚度的倒数 零剪切粘度 粘度系数 浓度比 单位 u d j t m s n m 2 k g m 3 m s k g ( m s ) m s m s k k w m 5 ( k g k ) 1 m k g ( m s ) k g ( m s ) 印印 。个印o k 订， 、“ 刚鳓 粕 哆拦 ， 胎 叫蚕m ： 。 嘛 蔓 妣 一一 。川 加 一 触 几 “ “ 卜 胀 洲一。k一一n。肫一“。矿矿。，。m。一凹q咖。 c s a i c c t a c n 1 = a 。一o 。， n 2 = o ，一o ：。 0 t i n ， 中 d d n p n c 伴随离子的浓度 c t a c 的浓度 剪切应力 法向应力差 法向应力差 法向应力( 下标一指平面取向 相体积 悬浮介质粘度 极大堆砌分数 当量直径 公称通径 公称压力 传感器的脉冲当量 传感器的仪表系数 p p m p p m n m 2 n m 2 n m 2 下标二指应力方向) i n t o 皿a 升脉冲 脉冲升 x 第一章绪论 第一章绪论 从人们第一次发现在流体中加入某些物质能使传输过程中有压降减小的现象开 始到现在已有近七十年的历史。在此期间，许多学者和科技研究人员在减阻流体的减 阻机理和应用研究方面进行了不懈的努力，为人们迸一步研究奠定了基础。由于减阻 流体的卓越特性一在工业应用的雷诺数范围内，湍流中摩擦阻力的减少量有时可达 8 0 “，所以关于减阻流体的研究一直受到人们的关注。同时，减阻流体也得到了越 来越广泛的应用，如：石油管道运输、消防救火、水射流切割、灌溉、排涝、医疗等。 随着理论研究发展与实际应用的需要，减阻流体的研究领域也越来越广，如：活性添 加剂对沸腾的影响研究。，八十年代中期，提出了减阻流体在中央供热系统的应用， 九十年代，减阻流体在区域供热冷系统、空调系统等闭环系统中的应用成为人们研 究的新热点。随着研究的深入和实际应用领域的不断进步，许多新的研究课题也出现 在人们的面前。 1 1 减阻流体的研究背景 最早记录湍流中有压降的工作是在三十年代，这一现象是在纸浆传送的过程中 发现的“1 。然而这并未被认为是减阻现象。1 9 4 8 年，t o m s “”在流体中加入少量大分 子，首次发现壁面剪切应力有大幅下降。他注意到在管道中有湍流时，高分子聚合物 的稀溶液比纯溶剂所需能量消耗少得多。这种特殊的减少能耗的效应就称为“t o m s 效应”、“非牛顿效应”或“粘弹性效应”。但大多数人称这种现象为“减阻效应”。 此外，人们在汽油中添加阴离子表面活性剂做流体研究时，也发现了相同的现象。但 此后约十年的时间里却没有人再做相关内容的研究。从1 9 5 9 年以后，减阻领域方面 的研究又受到了重视，一些学者重新开始了这方面的理论和应用研究。有些研究成果 引起了美国海军的兴趣，于是探索减阻流体在军事中的应用工作也开展起来“，并 涌现出许多关于新的研究成果，如减阻流体在不同的内部和外部条件下的流动特性。 内部流动的研究工作包括直圆管、光滑圆管、粗糙或波纹型圆管等，甚至还包括在弧 型或螺旋线型圆管、孔板、扩张管道、环型和开放流道中的研究工作。关于外部条件 下的一些理论与实验研究包括减阻流体在转盘、旋转圆柱、平板和球附近等情况下的 特性。也就是在这期间，s a v i n s 给出了被接受的减阻流体的定义“”。八十年代中期， 在中央供热系统中使用减阻流体的想法被提了出来，推动了高温减阻剂效果的研究。 九十年代后期，国外开始进行c t a c ( c e t y lt r i m e t h y la m m o n i u mc h l o r i d e 十六烷基 三甲基季氨盐) 表面活性剂在传热方面的机理研究。 1 2 减阻流体的应用概况 在许多学者进行理论研究的同时，很多研究成果也得到了应用：八十年代在油 苎二童堕堡一 井开采的水力破碎中使用瓜尔胶( g u a rg u m ) 的目的就是为了减小湍流中的摩擦阻力； 在消防系统中，加入少量的减阻剂可以减小水管中的阻力，增加流量和喷射距离；在 灌溉系统中，加入减阻剂后可使一个灌溉用水泵能覆盖的面积提高到两倍；在暴风雨 较多的地区，当雨量高峰时，在排水管道中添加减阻剂可以处理下水道积水的问题； 在其它的传送系统中，如原油、柴油、含沙传送、炉渣以及火电厂的飞灰处理等，减 阻剂的使用都取得了很好的效果。同时，在传送过程中还可以减小流动的噪声。在造 船工业中，减阻剂可以应用于未来新船模型测试里，对水翼艇的研究也有很大的帮助； 甚至在动脉硬化和冠状动脉血栓形成的治疗中，减阻流体应用也是一个人们感兴趣的 方向“”，因为血流也是湍流，使用减阻剂可以帮助循环，减小心血管系统的压降。 目前倍受人们关注的是减阻流体在中央供热系统、区域供热冷系统、空调系统等闭 环系统中的应用，人们曾试图使用高分子聚合物，但未能取得成功，原因在于高分子 聚合物存在机械降解的问题。s h e n o y “”曾分析了在这个领域使用表面活性剂的可能 性，但这方面的研究却是非常有限的，从而它也成为了受到关注的研究领域。 1 3 对减阻现象的探讨 减阻流体研究的客观要求是寻找一个等同的机械结构模型，它能解释和预测所 研究溶液中出现的效应，因此就有过一些关于减阻现象的解释。 1 9 4 8 年，0 1 d r o y d “”首次发现高分子聚合物对近壁面的区域能产生很强的影响， 同时提出了壁面分层理论。在此基础上，t o m s ”提出了一个剪切变弱的壁面层的观 点，即该层具有低的粘度，且摩擦力较小。但实验表明，壁面上还是一般的牛顿层。 而e l p e r i n “7 则提出在圆管壁存在一个高分子聚合物的吸收层，它使粘度下降， 因而产生一个滑动减小湍流脉动。但研究表明，表面对高分子聚合物的吸收与减阻效 应之间不可能有联系。 为了解释减阻现象，p a t t e r s o n 和z a k i n 3 根据流变学理论提出了粘弹性模型， 但它却不适用于稀溶液，同时b o g g s 和t h o m p s o n “”还发现粘弹性会产生不稳定效果。 这个发现后来被l o c k e t e0 1 通过计算证实。由于各向异性的存在，因此有造成流动 方向上粘度较小，而在其它方向上足够高，以至使湍流密度大辐下降，e l a t a 和p o r e h “”开展这方面的理论研究工作，但g a d d “”的实验证明这种解释是不完全的。对于 实验中发现的粘度各向异性现象，s h i n 认为是由于高分子聚合物分子的线圈形状 受到拉伸而产生的。t u l i n 第一个通过可视化手段发现高分子聚合物在受到剪切应力 时有拉伸现象，并吸收湍流漩涡的能量，从而形成弹性剪切波”。 l u m l e y 。”从分子结构入手提出了高分子缠结假设，但这种假设只适用于某些场 合。p a t e r s o n “”则发现在某些稀溶液中不存在缠结。p f e n n i n g e r 。7 1 则假设分子拉伸 和可能的高分子破裂会干扰和削弱湍流漩涡。 1 9 6 9 年，b l a c k 提出了新的湍流剪切流的理论模型，他指出流动中有更大的 底层稳定性，但纵向速度扰动会增加。i 9 7 6 年，o o r o d t s o v 等人用振动粘性底层 模型来描述粘弹性流体的壁面湍流结构，并对主要的流体特性进行了计算。同时认为 在湍流中加入高分子聚合物可以改变壁面附近的湍流结构，而远离壁面时相对变化较 小，因此壁面区域有一定的控制作用。 笙二兰堕堡 1 9 7 3 年，r u c k e n s t e i n 提出减阻可能源于粘弹性的两个效用：1 ) 粘弹性流体 的壁面瞬时剪切应力比牛顿流体的小。2 ) 粘弹性流体中壁面流体单元更新的速度比 牛顿流体的慢。而在此两年前，v i r k ”提出弹性底层的物理概念，并且随减阻的增 加，它的大小也会增加，直到到达最大减阻时，它已占满了整个圆管横截面。同时， v i r k 还给出了减阻渐进线的公式”，此公式现在还是许多实验研究的参考公式。 关于减阻现象的解释，o h l e n d o r f ”基于胶束结构引起的流动也曾提出两个过 程：有序结构的形成减小了管道核心区大尺寸的湍流漩涡由于拉伸流引起直线棒 状结构，产生了对近壁面边界层湍流漩涡的抑制。从这个观点看，表面活性剂溶液减 阻效应与流动结构密切相关。 由于液体与壁面的湿润状况( 接触角) 会对流动的边界条件产生重要的影响， 即产生壁面滑移。于是0 1 d r o y d 认为减阻效应可能是高分子稀溶液沿壁面滑移的结果 。m o o n e y 在大浓度高分子溶液的毛细管流动中发现了流动异常现象，也提出了 边界滑移的概念。但以后大量的断面流速测量都证明这种滑移是不存在，而且牛顿层 流底层并未发生变化。对于m o o n e y 的发现，其实是大分子在近壁面的高剪切区发生 的滚动现象，周围流体作用于其上的力有一个与壁面外法线方向同向的分量，该分量 促使大分子离开壁面，从而使紧贴壁面的液体中大分子的浓度非常低，相当于高粘度 流体外部存在一层低粘度滑液，使阻力降低。判断壁面滑移应遵循k n u d s e n 1 准则， 根据统计力学的定性分析可以把上述原则推广到液体的情况。对工程中的一般流体， k n 数远小于0 o l 。因此根本不必考虑壁面，可以非常精确地认为u = o 。对于超高分 子聚合物的极浓溶液，情况非常复杂，目前还缺乏深入的研究。减阻的唯象性原因仍 应归结为v i r k 所提出的层流底层外部存在一个所谓的弹性边层。 上述研究结果尽管还不能完全解释减阻现象，但为以后的研究工作打下了定的 基础。 由于加入少量添加剂会使流体由牛顿流体变成了非牛顿流体，从而使流体的流动 特性发生复杂的变化。以前的研究工作主要集中在减阻流体的流动和传热方面，我们 将通过对c t a c 减阻流体的物性、流动和传热等几个方面深入研究，力争揭示出表面 活性剂的减阻机理。 1 4 减阻流体的物性研究 f41 添加剂的种类 目前，普遍使用的添加剂有以下几种： 高分子聚合物 对高分予聚合物减阻能力的研究表明任何线性结构和高分子量的大分子物质都 是很好的减阻剂( 3 7 - ” o 但它们在稀溶液中存在机械降解，因此在实际的应用中受到了 限制。1 9 7 6 年，m a s h e l k a r 和d e v a r a j a n 1 通过对螺旋管中流体的减阻分析，建立了 一些阻力降与包括粘弹性在内的过程变量的关系，指出高分子聚合物溶液的粘度显示 出剪切变稀( 粘度随剪切速度的增加而降低“”) 的特性。 固体颗粒悬浮物 固体颗粒悬浮物有两种不同的类型：a ) 颗粒状或类似球状的粒子；b ) 纤维。由 苎二兰堕堡 于人们发现浑浊的水流比干净的水流流得快，才引发了对固体颗粒悬浮物的研究。但 它在流动液体中的效果还没有象高分子聚合物一样得到充分的研究a 在工程应用上， 和高分子聚合物相比其优点是：可以很容易地加入流动液体中，也可以很容易地从 液体中去除。除了个别情况外，它无机械降解。 生物添加剂 h o y t 偶然地发现活的有机体产生的长链多糖可以减阻。细菌有喜冷或喜热的， 但它们通常在碱性溶液中更有效，并且有长时间的稳定性。 表面活性剂 表面活性剂包含一个有机分子或有表面激活属性的化合物。己用于研究的活性 剂有三类：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子型表面活性剂。 ( 1 ) 阴离子表面活性剂 阴离子表面活性剂的水状溶液系统 s a v i n s “3 发现减阻最大值出现在临界剪切应力处，并且临界剪切应力主要依 赖于存在的电解质量。电解质的加入可以增加减阻性能。他认为加入电解质提高了溶 液分子相互结合力，原先水状溶液中胶束是球型的，在电解质的影响下进行了重新排 列形成柱状，然后形成由棒状胶柬相互交织而成的网络结构。在实验中他还同时发现 减阻现象是可逆的，而且此状溶液具有阻止机械降解的能力。s a v i n s 还总结出在低 温、低浓度时，溶液具有更好的减阻效果。从某种程度讲，这种溶液就不太实用了， 因为它易与自来水和海水中的钙以及其它离子发生作用而产生沉淀。 阴离子表面活性剂的非水状溶液系统 m c m i l l a n 在他的实验中发现要想产生减阻，必须达到某个最低浓度。他推测 超过这个浓度则产生一个高结构化的胶体，它具有时间稳定性，剪切应力消失后它能 完全恢复。m c m i l f a n 和z a k i n 还发现大的胶束或聚集物通过影响溶液的粘度和粘弹 性可获得满意的减阻效果。a g o s t o n 则发现浓度更高的溶液有更高的粘弹性效果， 并且恢复时间很长。比如即使泵停了以后，压力梯度也可以存在几分钟。此外， m c m i l l a n 还发现双皂溶液的制备方法严重地影响它们的湍流特性。 以上两者的不同之处在于，阴离子表面活性剂水状和非水状溶液减阻的温度依赖 性呈现相反的变化趋势。 ( 2 ) 阳离子表面活性剂 n a s h “”发现获得粘弹性的最优混合比率在等摩尔附近( 他在实验中使用的是 c t a b ( 一种溴型烷基季铵盐) 和苯酚( n a p h t h 0 1 ) 相混合的溶液) 。他发现改变添加 物质的顺序可产生明显的效果。尽管混合物最后的浓度是相同的，但是将n a p h t h o l 加到c t a b 溶液中产生的聚集物就t e 反过来时的强。国内的学者在他们的研究中也发 现：溶液制备的方法对减阻效果有重要的影响( 4 7 ) o 另外，当高剪切应力作用于表面 活性剂溶液超过某临界时间时，溶液的减阻特性将变坏，或完全丧失。z a k i n “也有 同样的发现。同时在z a k i n 的实验中，他还发现当温度达到4 8 。c 时，减阻特性将永 久性消失。即使将溶液冷却到2 6 ，溶液也不会产生减阻。 当阳离子表面活性剂中加入化合物如水杨酸钠时，可构成减阻化合物，这些表面 活性剂化合物可产生棒状胶束。同时准备这种离子交换活性剂溶液时，溶液中生成的 等量氯化钠对减阻没有影响。溶液静态时，这些棒状胶束自由旋转，相互之间无干扰 c 4 9 ) = 这些表面活性剂和平衡离子浓度对f 临界温度和临界雷诺数是会产生影响的。 笙二童丝垒 另外减阻与流体的弹性特性有些关系“”：尽管溶液很稀，但确实也存在一些可测量 的粘弹性行为。粘弹性表面活性剂溶液形成的因素之一是过量的粘弹性表面活性剂平 衡离子对减阻和粘弹性表面活性剂形成的流变学行为的影响。粘弹性表面活性剂溶液 中加入电解质可以显著提高溶液的l 临界温度和临界剪切应力。使用带有较长烷基组的 粘弹性表面活性剂也可以增加临界温度和剪切力，但是这样会降低其在室温下的溶解 度；有非饱和长链烷基的四元铵或羟乙基组( h y d r o x y e t h y lg r o u p s ) 的表面活性剂 可以提高其低温溶解性，而且可以不改变其较高的临界温度和他们饱和烷基三甲基铵 对应物( a l k y t r i m e t h y l a m m o n i u nc o u n t e r d a r t s ) 的临界雷诺数。r o s e 和f o s t e r 则 提出了两个方法来克服工作范围的问题。主要是通过改变阳离子表面活性剂的结 构来克服：一是将一个双键合并到一个烷基组( 比如在瓢儿菜e r u c y l 中) ，二是氮上 的两个甲基组由羟乙基组( h y d r o x y e t h yg r o u p s ) 替换。一些研究还表明使用水杨酸 盐平衡离子的阳离子粘弹性表面活性剂在较宽的工作范围具有长时间的稳定性”。 1 9 8 5 年，h o f f m a n n 1 通过测量稳态剪切数据及圆柱形表面活性剂胶束长度发现： 温度增加时，实际上胶柬长度变小了( 试验当中没有加入过量的水杨酸钠) ；分子量 下降时，其长度变短，高聚物溶液的特征时间将减小。相类似的，当温度增加时，粘 弹性表面活性剂溶液的特征时间也下降。 阳离子表面活性剂的优点在于有钙离子出现时，也不会出现沉淀。但它较贵，而 且经过一些天后，在水状溶液中会化学降解。尽管机械方面是稳定的，但热稳定性不 够，也不能广泛使用。 ( 3 ) 非离子型表面活性剂 八十年代中期以前只有z a k i n 和c h a n g 做了相关的工作。他们研究了温度、 电解质浓度及类型、表面活性剂浓度及组成、机械剪切对非离子表面活性剂的作用。 非离子表面活性剂在水中溶解时有上限和下限温度。他们发现非离子溶液在临 界上限温度或浊点附近时是非常有效的减阻物质。浊点是溶解于水中的非离子表面活 性剂在温度升高的时候变得浑浊时的温度值。接近浊点时，胶束变得越来越大。在非 离子表面活性剂浓度变化的较宽范围内浊点基本上是一个常数。但它受其它添加剂的 影响，电解质会降低浊点，而酒精和其它极性的溶剂可以增加浊点。温度的变化会使 活性剂溶液的特性有一些变化( 进入湍流区时，溶液产生减阻有个过度期，而温度升 高时，过度期会消失) 。 关于电解质浓度的影响，他们发现提高电解质浓度也可以便过度期消失，而且多 化合价的阴离子最有效果。在h w b e w e r s r o r f f 和d o h l e n d o r f 的研究中也发现： 额外的电解质可以明显地影响胶柬系统的物理化学和流变学特性。过量的盐使棒状胶 束形成的特征浓度c 。下降，结果棒的长度开始增加。加盐和增加温度可以使活性剂 溶液的层流和湍流流动行为做相似的变化。另外，表面活性剂特殊的化学结构对胶束 的大小和形状有重要的影响，这将间接影响溶液的减阻性能。因此z a k i n 和c h a n g 建议有必要对添加物结构做些研究，从而使减阻达到最佳效果。 后来，a v s h e n o y 总结了八十年代以前的研究成果得出结论：至今为止，非 离子表面活性剂比其它类型的减阻添加剂更有优势。非离子型表面活性剂在机械和化 学上均很稳定，溶液中有钙离子时它不会出现降解，因此它可以在非纯净的水、海水 等情况下使用，并且s h e n o y 在他的研究中发现非离子型表面活性剂在高温也有很好 的减阻能力。 苎二童堡垒 一一 1 42关于表面活性剂胶束结构的研究 单一胶束的情况 ( 1 ) 胶束的形成 在胶束系统中，浓度超过某个最小值c m c ( i 临界胶束浓度c r i t i c a l m i c e i l e c o n c e n t r a t i o n ) 时，溶液中形成胶束”。胶束形成的动力是斥水部分的相互作用， 这可使整个系统中碳氢化合物与水的接触面积最小，当分子聚集成胶束时，单个分子 斥水部分周围的这些接触面大部分都消失了。通常胶柬系统中形成的是球状和片状胶 束。球状胶柬仅仅存在稀溶液中。当浓度升高时，片状胶束增多。 胶束的长度与胶束聚结数量n 有着直接的关系。胶柬聚结数量n 随胶束单体尾 部中碳原子的数量增加而增加”。胶束链越长，结构紧密性越低，更易结合更多的 单体物体，从而使n 增加。当溶液中加入电解质时，胶束的形成浓度c m c 将下降，但 会促使n 上升。n 的上升将使首基( h e a d g r o u p ) 的体积减少。当首基电荷被有效屏蔽 时，n 也将上升。 ( 2 ) 棒状胶束的形成及相关特点 表面活性剂在超过特征( 变化) 浓度c 。时形成棒状胶束。球状胶束形成时的临 界浓度c i i i c 显示较小的温度依赖性，而c 。随温度增加而迅速增加。即特征( 变化) 浓度c 。随温度增加而增加的幅度比c l l l c 大。这一点在控制传热方面得到了重视。棒 状胶束的长度随温度增加而下降“，随浓度的增加而增加。 d e b y e 和a n a c k e r 第一个发现溶液中有盐时，c 。和c 。四元化合物中有棒状胶 束，其中离子基本上排列在圆柱形轴上，它们的尾端朝里，首端朝外。这些离子的连 续平面相互平行，与棒的长度方向垂直。人们广泛地认为溶液中可能同时存在几种不 同的结构。结构从一种变化到另一种也是可能发生的。p i l p e l ”指出大的相互关联 的二级胶束结构的形成能够使粘弹性增加，比如由球状胶束关联形成棒状胶束的过 程。通过对高分子聚合物的实验研究表明分子的韧性、松散的线圈形状、长链以及大 的分子量都可以增加溶液的减阻效果。 ( 3 ) 棒状胶束形成后的表面影响 在静态活性剂溶液中，棒状胶束无优先方向，在较低浓度的剪切流中，胶束可 以自由旋转，相互之间无阻碍。这是因为它们的旋转体积无重叠。然而超过临界剪切 梯度时，胶柬开始变向直到它们在流动方向上完全准壹。于是剪切粘度突然增加，有 序结构或s i s ( s h e a ri n d u c e ds t a t e 流动诱导结构) 形成。有序结构的尺寸比单个 胶束的长度大。在i 临界剪切应力时，有序结构破坏，棒状胶束在湍流剪切流中旋转。 但胶束并没有被破坏。因为剪切梯度减小时流动减阻可以无延时地恢复“”。 在层流管道和库爱特流动( 相对运动的二平行板间的简单剪切流动) 中，粘度 测量表明剪切力的增加( 形成) 会产生不同于牛顿流体的粘弹性状态，这种状态中棒 状胶束呈完全的直线型。 在湍流中，如果溶液中有棒状胶束存在，减阻特性便会出现。减阻的范围和类 型直接依赖于棒状胶柬的大小、数量和表面电荷。但每种表面活性剂对减阻都有一个 上限绝对温度t 。，它受表面活性剂系统中斥水链长度和平衡( 反) 离子的影响。 由此可以得出结论：这些表面活性剂特殊的流变学行为不是由于单一的棒状胶 束，而是它们的聚集( 合) 引起的，它们在流动中相互作用，结果在溶液中形成更大 的结构。 笙二兰堡垒一 表面活性剂多种胶束的情况 为了解在几种活性剂混合形成的溶液中，活性剂是怎样聚集以及如何用它们的 组成、聚集数量来描述混合胶束的特性的，人们做了关于胶束溶液的临界胶束形成浓 度c m c 、溶液组成、电离度和平均胶束聚结数量的实验。在文献”中就研究了以下 两种不同的混合溶液。( 1 ) 阳离子活性剂加入阳离子活性剂溶液( c t a c d t a c ) 的实 验发现：当总的浓度增加时( 增加d t a c 的量) ，胶束聚结数量n 在较低浓度时迅速下 降，然后趋于平衡。n 的下降与混合胶束中c t a c 相对量的下降有关。实验表明少量 长链活性剂在c n c 附近可以有效地影响短链同系物的特性。在混合溶液的c m c 附近且 溶液的总浓度c 较低时，要获得较高的胶束聚结数量n ，长链活性剂要在溶液组成中 占较大的摩尔组分。当加入的c t a c 量x 较高时，n 随c 变化的趋势与低x 时的相似。 只是在低c 时，n 初始值下降的幅度和梯度都较小。x 增加，n 曲线也将趋于一个介 于纯c t a c 和纯d t a c 聚结数之间的一个值。而且x 越高，n 数越趋近于c t a c 的聚结 数值。从实验得出的n 随x h ( c t a c 在胶束聚结中的组分) 的曲线表明：n 随的增 加呈s 形增长。这说明在混合胶柬溶液中，胶束聚结数量主要由胶束的组分决定。( 2 ) 在阴离子活性剂加入阳离子活性剂溶液( s d s d t a c ) 的实验里，胶束聚结数量n 随总 的浓度增加而逐步增加。d t a c 加入s d s 中时增加的幅度更大。溶液中n 的测量值也 很大，这种变化与加入的活性剂电荷有关，它中和了溶液中部分胶束的电荷，因此溶 液的电离度也将下降。但这也不是唯一的原因，胶束内部链的填充以及胶束表面首基 的填充也可能影响这种变化。 1 5 表面活性剂c t a c 在流动方面的研究进展 区域供冷热系统要求流体在传送的过程中不但摩擦阻力小，而且热量损失要尽 可能的少。这些c t a c 减阻流体都可以满足。并且在我们进行的c t a c 在硬水中稳定性 的测定实验中发现：c t a c 在离子溶液中有最好的稳定性。不仅如此c t a c 还不会机 械降解，温度适用范围广，因此成了区域供冷热系统研究的一种理想的减阻剂。可 是区域供冷热系统还要求在必要的时候加强流体的换热性能，这就需要一种自适应 的控制手段控制c t a c 减阻流体的传热，也就需要对c t a c 减阻流体的流动与传热进行 大量的研究。 15io t a o 流体的减阻特性 关于减阻的研究表明c t a c 流体的摩擦力随雷诺数的变化有一定的对应关系，以 下是典型的f r e 曲线。根据雷诺数的大小可以划分出三种类型的流动区域：不完 全减阻区完全减阻区过减阻区。在不完全减阻区，既层流区，表面活性剂溶液不 仅不减阻，反而增阻“”。进入完全减阻区开始减阻，随雷诺数的增加，减阻增大， 最后实验点落在v i r k 最大减阻曲线上，达到最大减阻。当雷诺数继续增加，达到某 一f 临界值时，摩擦系数迅速回升，最终回到与溶剂相当的水平上。温度不同时曲线会 略有不同，低温时f 在层流区末端略微上升，接近p r a