表面活性剂研究的背景和意义.docx

目录1研究的背景和意义22表面活性剂减阻机理及影响因素62.1湍流减阻基本概念62.1.1从微观结构角度对表面活性剂湍流减阻机理的解释72.1.2从湍流物理角度对湍流减阻机理的解释72.2影响表面活性剂减阻的因素102.2.1烷基102.2.2烷基链头基112.2.3 烷基链长度112.2.4表面活性剂的浓度112.2.5 补偿离子112.2.5.1补偿离子的浓度112.2.5.2补偿离子的疏水性与亲水性122.2.5.3补偿离子的电荷性质以及电荷数122.3其他因素的影响122.3.1管路系统的直径122.3.2流体介质的速度和温度132.3.3环境中的金属离子132.3.4雷诺数的影响132.4表面活性剂减阻方程式的介绍132.4.1粘弹性流体的剪力及湍流运动方程143表面活性剂的国内外研究及运用状况153.1国外的研究状况153.2国内的研究状况164主要研究的方法和内容174.1研究的内容174.2研究方法174.2.1流变模型及数值模拟研究174.2.2尺度放大的研究方法195前景与展望21311研究的背景和意义如今随着世界能耗的不断增加，能源问题一直是比较棘手的问题，特别像我国人口众多的国家，人均资源占有量远低于世界的平均水平，且对于能源的需求更加巨大，所以节约能源对于中国来说乃至于对于全世界来说是相当重要的大事。能源的消耗重要发生在能源交通运输过程中，且表面摩擦占很大的比例。而在长距离的管道运输过程中，泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦力。而由于表面摩擦阻力的存在，会将油气由层流状态转变为湍流状态，所以湍流减阻对长距离的管道输油具有重要的意义，已引起了广泛的重视。在长距离管道流体输运中，绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。对于能源紧缺的今天，尤其是像我国这样处于发展中且人均资源占有量较低的国家来说，节约能源以及能源的高效利用已经成为了当前研究的重点和亟待解决的问题。减阻添加剂的使用能极大地减少流体在壁面的摩擦阻力，减阻效果高达80%，具有重要的节能价值。相比于聚合物减阻剂，表面活性剂具有可逆的机械降解性质，在高剪切力场合以及封闭式循环系统如集中供暖系统中有着极大的优势以及更为广泛的应用前景。由于表面活性剂溶液在不同的剪切力作用下，其内部的单体分子会形成不同形状的微观胶束结构，比如球状、棒状、蠕虫状、网状等，而这些不同的微观结构又能够影响表面活性剂溶液的流变性能，使其在不同剪切力下表现不同的流变特性；而流变特性又会影响流体内部的湍流结构，从而进一步影响表面活性剂溶液的减阻性能。因此，为了认识表面活性剂溶液的内在减阻机理，对其微观结构、流变特性及流体内部湍流结构的研究成为了国内外众多学者关注的焦点之一。然而，表面活性剂在高效减阻的同时，其换热性能将会极大地恶化，这主要是由其内部微观结构对流体湍流强度的抑制作用造成的，从而导致了表面活性剂溶液传热性能恶化的现象。因此，为了进一步扩大表面活性剂在换热领域的应用，其强化传热也成为了研究的焦点。当表面活性剂溶液发生减阻作用时，其流体内部的湍流涡结构会受到由表面活性剂形成的剪切诱导结构的抑制，从而使湍流结构发生改变。这一特点则为通过影响湍流结构实现减阻的其它减阻方法提供了可能的条件，为表面活性剂与其它适当的减阻方式相结合的耦合减阻研究提供了指导。因此，表面活性剂与其它减阻方式耦合进行高效湍流减阻的研究也是当前的研究热点。综上所述，为了全面认识表面活性剂溶液的减阻机理，提高其在节能方面的应用价值和范围，就需要对其微观结构、流变特性、减阻特性、湍流结构特征、强化传热以及与其它减阻方法协同作用耦合特性进行系统的研究。本文对作者近年来在表面活性剂湍流减阻方面的最新研究进展进行综述，并与其它同类研究进行了对比分析。首先总结分析表面活性剂溶液结构、复杂流变特性和湍流结构及其与减阻和换热性能之间的内在联系，然后阐述表面活性剂和壁面微沟槽协同作用减阻性能与机理，并介绍表面活性剂减阻的实际工程应用，最后对表面活性剂减阻在今后的研究重点提出建议。湍流减阻对提高能源的利用率、保护生态坏境等都有重要的意义。近年来国际学术界对湍流减阻的基础和运用研究十分重视，每年都要召开有关于湍流减阻的学术会议，湍流减阻已经发展成为当今流体力学及流体工程界的一个热门学科。添加剂湍流减阻技术作为湍流减阻重要的一个分支，是指在管道中的流体湍流流动中加入微量的添加剂，从而使湍流摩擦阻力显著降低的流体输送技术，与其他湍流减阻技术相比，其特点是湍流减阻效果最为明显，也是最为廉价且容易操作。早在1931年，Forrest和Grierson就发现当水的管道湍流中有纸浆纤维悬浮时，其流动阻力在相同流量下会减小，但这一现象在当时并未引起足够的重视。首次发现聚合物湍流减阻现象的是美国学者Mysels,Mysels和他的助手发现汽油在管道中流动时，当在其中溶入双脂肪酸后，在相同流量下其流动阻力会降低，但由于第二次世界大战的影响，这一发现直到1949年才得以发表出来。在1948年举行的第一界国际流变学大会上，英国学者Toms效应。从那以后，在全世界范围内对湍流减阻机理及湍流减阻技术的实际运用开展了大量的研究工作，对湍流减阻现象已有了充分的认识，并在实际运用方面也有了长足进展。减阻现象的发现，其意义首先体现在流体输送效率的提高与驱动能耗的降低上，具有巨大的节能价值。尤其是在当前，全球性的能源与环境问题迫使各国政府重视节能减排以及对新能源与节能新技术的开发与应用。摩擦阻力在众多领域是 一个巨大的能源消耗环节，如飞机、轮船等交通工具的绝大部分燃油消耗是用于对空气或水等介质带来阻力的克服上，其中表面摩擦阻力占总阻力的50 %以上，再如对石油等流体的管道输运上，管道摩擦阻力造成的能耗占总能耗的80 %以上。在城市，动力用能在整个电能消耗上也占有很大的比重，例如2003年的上海电能消耗约占总能耗的50 %，其中动力消耗约占10 % 。由此可见，采用先进的减阻技术，降低流动阻力在节约能源，尤其是节约城市电能消耗上具有非常重要的意义。1979年，聚合物添加剂首先应用到纵贯阿拉斯加的石油输运管道， 获得巨大的成功，随后在世界各地得到推广，到九十年代末应用站点就已超过80多个。除石油的管道输运外，减阻流体在中央空调的冷、热媒介质的输运上也在尝试进行应用。其中，丹麦城市Herning自九十年代初在其城市供暖系统（热 电联供）中应用该技术，并且延续至今，添加剂为表面活性剂。在捷克城市Kladno，表面活性剂减阻技术在超过300个部门的供热系统中进行应用测试，在一个整冬季的连续运行后，发现减少了近1/ 3的泵耗。另外， 在日本北海道扎幌市日本产业技术综合研究所等2006年起对其政府办公大楼中央空调系统进行减阻节能技术应用，采用表面活性剂为添加剂，节电达50 %。在我国，聚合物添加剂在石油管道输运中的应用于1986年进行了首次试验，1999年中国石油管道研究中心成功研制了EP系列的减阻剂，并与2000年在青海油田原油管道中首次 应用。对于减阻技术在供热系统中的应用，我国在这方面的研究目前尚处在起步阶段，具体工程应用还未见报道 。20世界70年代前后开始，某些被发现具有减小湍流摩擦阻力的作用。后来的研究中发现，表面活性剂溶液湍流流体流动中产生减阻效应的因素是溶液内部的生成微观结构，即所谓的剪切诱导结构，这是由于表面活性剂溶于水后，在稳定剂的帮助下，其小分子会形成棒状微观结构，在适度切应力作用下又会形成网状微观结构。与高分子聚合物溶液中的柔性长链微观结构一样，表面活性剂减阻溶液内部的网状微观结构也能够产生一种称之为“粘弹性”的流变学物性，表现出特殊的非牛顿流体性质，该类流体也被称为粘弹性流体。也正是由于溶液流动内部产生了粘弹性，继而与湍流之间发生作用，产生湍流减阻功效。由于溶液流动内部的网状微观结构也会被解离、破坏，但在强剪切作用消失后，微观结构会在秒的时间量级内自动重新生成，既具有自动修复功能，同样，其湍流减阻功效也会得到恢复。基于此，在实际的有泵液体循环系统中，表面活性剂减阻剂更适合用来达到长效的减小流动摩擦阻力，节约驱动泵功耗的目的。另外，表面活性剂也有其适用的温度范围，但超过适用温度后，表面活性剂减阻剂只是暂时失去减阻效果，在温度回到合适范围内之后减阻能力会自动恢复。添加剂减阻最早是从含有污泥河水中行船时被发现，因为在污浊河水中行船的速度普遍要高于在清水中行船。在后来的研究与应用中，用于减阻的添加剂包括 有：纤维、高分子聚合物、表面活性剂等等。添加剂减阻现象的发生是在湍流流动中，该现象是减阻剂影响湍流场的宏观表现，是一个纯物理作用过程。与此相近的物理减阻过程还包括：肋减阻、大尺度旋涡破碎减阻、表面涂层减阻、壁面震动减阻等等。这些技术在不同的场合得到应用，如目前的几乎所有的飞机都应用表面涂层减阻技术，据测试飞行阻力能降低10 %左右。对于这些减阻技术，从减阻机理上讲具有一定的共性，即流动的湍流微观结构被改变，从而导致表面 摩擦阻力的降低。对于添加剂减阻流体，溶液相对于溶质而言，还表现出不同的物理属性，如在水中添加聚合物或表面活性剂，溶液则表现出明显的非牛顿流体特性。同壁面肋条 减阻、表面涂层减阻相比，添加剂减阻技术对湍流微观结构的改变，这一过程的 根源在于流体本身的属性，并且这种属性还受流动状态影响，因此这种相互作用 的过程使得减阻机理更为复杂。由于当前非牛顿流体湍流研究的复杂性，以及减 阻流体巨大的节能潜力，因此添加剂减阻成为非牛顿流体研究中最具经济价值 与科学意义的现象之一，这也使得该课题在近3 0年来一直为国内外研究的热点。 目前，该减阻技术在减阻机理的揭示、传热恶化、应用控制等领域还存在一系列 悬而未决的问题 。表面活性剂的减阻效应在工业和日常生活中最大的潜在运用场所为区域集中供热或供冷循环系统，减少供热系统中的热量的损耗同时在制冷系统中减少与外界的传热，由此带来能量消耗的降低。其减阻效应还可以运用到油气的集输过程中提高油气输送量，降低输送过程中的泵耗，国际上己有成功的运用实例。表面活性剂的运用带来巨大的经济效益的同时，但存在一系列问题，比如，表面活性剂的泄漏会给坏境造成污染和腐蚀管道。 （图1）表面活性剂分子及胶团示意图 （2）棒状及层胶束示意图 （图3）低温电镜法拍摄的表面活性剂溶液中网状结构胶束照片 (图4）表面活性剂水溶液溶解度曲线及胶束结构状态示意图表面活性剂分类2表面活性剂减阻机理及影响因素2.1湍流减阻基本概念尽管目前对化学减阻剂已经有了相当规模的实际系统运用研究或工业化运用，并且对影响减阻效果的一些因素已有了一定的了解，但由于对湍流本身的了解还不够全面，在湍流中，添加剂产生减阻原因还不是很清楚。围绕减阻机理，曾经提出一些假说和模型，但没有一种理论可以圆满解释添加剂湍流减阻流动中的所有实验现象，减阻机理还有待进一步研究。对于从湍流物理角度出发给出的湍流减阻机理的解释，既适用于高分子聚合物减阻剂，也适用于表面活性剂减阻剂，因此，在下面这方面的叙述中不分化学减阻剂的种类，尽管有的对湍流减阻机理的解释是针对高分子聚合物而来的。而从减阻剂溶液内部微观结构的角度出发，对减阻机理进行定性分析。湍流减阻的基本概念在湍流流动过程当中所涉及到的基本流体力学问题。存在于管道或槽道中时，由于流体存在的黏性，在流道壁面附近会产生摩擦阻力，想要保持流动过程中流体的流量不变，就需要外部提供动力，液体循环时需要泵提供驱动力，通过分析流道中流体所受力的平衡关系，可以建立起在流道中一定长度间隔内流动的流体所受的壁面切应力与这段长度流道前后的压差的关系。壁面的切应力定义为 （2-1）其中，D为流道的水力直径，L为所取流道的间隔长度，为L间流动的压差。式（2-1）对圆管和槽管都适用。当矩形截面的一边远大于另一边时，此时往往在做二维槽道管流的假设，式（2-1)也时常简化成如下形式： （2-2）这里H也常称为二维矩形槽道的高度。测得通道内流动的壁面摩擦阻力系数，根据定义有 （2-3）式中，V为流道内的平均速度，为流体的密度。在进行湍流减阻流动研究时，测得湍流减阻流动时范宁摩擦系数随雷诺数的变化结果后，通过与相同雷诺数下牛顿流体的范宁系数做比较得到减阻率的大小。管道或槽道内牛顿流体湍流的范宁系数可通过如下理论公式计算：圆管湍流 （2.4a)槽管湍流 (2.4b)这里雷诺数通过牛顿流体溶剂的参数来定义: Re= (2.5)其中，为溶剂的动力黏度。2.1.1从微观结构角度对表面活性剂湍流减阻机理的解释表面活性剂减阻溶液中的微观结构形式可能是传统的蠕虫状结构、有分支的虫状胶束构成的网状结构或者是囊泡状结构，每一种结构形式的微观结构都可能给溶液本身带来不同的流变学物性以及不同程度的减阻效应。Zakin等根据如上三种可能存在的静态微观结构形式，把表面活性剂分为三类，并分别把溶液流动的减阻效应与流变学物性关联在一起。绝大多数的表面活性剂减阻溶液处于静止状态时，内部都会形成蠕虫状胶束结构，当有剪切力作用时，蠕虫状胶束结构很容易就会倾向于与流动方向排列一致，这种效果导致湍流减阻效应的产生，而且导致较大的临界剪切力或临界雷诺数。内部有蠕虫胶状胶束结构的表面活性剂减阻溶液一般来说会表现出明显的流变学物性，如较大的零剪切黏性、剪切稀释性、较大的黏弹性、旋转流动停止驱动后的快速反弹现象、较大的拉伸黏性与剪切黏性之比等。有一些表面活性剂湍流减阻系统会形成有分支的蠕虫状胶束结构，即三路分支交接在一起的蠕虫状结构，当胶束结构形成半圆形端头所需要能量高到足以克服形成分支接头所需的能量时，即可以形成分枝状结构，此时比起前面一种情况，溶液内的蠕虫状胶束微观结构的端头数目变少。研究表明，分支结构的结合点能够沿着蠕虫状胶束结构的轴向方向自由移动，这样当受到剪切率作用时能够迅速把切应力松驰掉，从而减小溶液的剪切黏性。形成分支结构的表面活性剂溶液的减阻效果也很明显，但是其最大减阻率比无分支蠕虫状胶束结构的情形要小，然而，这种情况下的临界雷诺数却比后者要大，而且分支中的接点可自由移动的复杂的流变学物性。也有几种表面活性剂溶液在处于静态时内部会形成囊泡或液晶状态，在湍流流动中，受到的剪切率超过临界值后，这些形态可以转化成蠕虫状胶束结构，从而使该类表面活性剂溶液流动表现出湍流减阻现象。此时，因剪切而引起的表面活性剂溶液从无减阻功效的转化过程，类似于湍流流动中的湍流减阻现象的起始诱发过程，所不同的是，当引起溶液内部微观结构变化的临界剪切率小于流动从层流向湍流转折的临界壁面剪切率是，这类表面活性剂溶液可能表现出牛顿流体性质，即小的剪切黏性，无网络状结构产生、第一正应力差保持为0、拉伸黏性与剪切黏性的比值较小。2.1.2从湍流物理角度对湍流减阻机理的解释湍流的相关结构湍流流动由于壁面的限制，壁面附近的流体质点在黏性切应力和湍流切应力的作用下，不仅沿着流动方向发生脉动，而且在横向方向发生扩散。随着距壁面方向上距离的增大，两种切应力对流动的影响也发生了相应的变化，粘性切应力对湍流流动的影响逐渐变弱，湍流切应力的对流的影响不断增强，因此在壁面形成了流动的分成区，在不同的层区处流动的速度、压力等参数具有不同的分布。关于充分发展的湍流层，在沿着边界层法向方向可将边界层分为两个区域：壁面区和核心区。区内由于壁面流动条件、粘性底层、温度分布、含杂质程度及核心区湍流度的影响，又被分为三层：黏性底层、过度层和对数层。外区中，壁面流动条件间接地影响着流体运动，主要还是受湍流切应力的影响，外区被分尾流区和粘性顶层。湍流边界层的划分标准（1） 黏性底层：粘性底层是壁面的一个非常薄的流层，此层的粘性应力对流动的影响突出，湍流切应力的影响非常弱，此层的流动与层流相似，速度呈线性分布。其厚度相对于平板边界层约为：0y+5其中： y+= 公式中为壁面摩擦速度。粘性底层中，垂直速度分量波动频繁，此区域内的平均与距离壁面的距离呈现线性关系。粘性底层并非层流层，粘性底层中流体的速度还受外层低速流条带之间的展向距离近似为10y*（2） 过渡层：过渡层是粘性底层到对数层的缓冲层。过渡层中流动的动量输运过程，在粘性层中粘性力影响较大。在过渡层中的粘性切应力和湍流切应力都不能被忽视。垂直速度分布量是正的，该区域低速带延伸至缓冲层，壁面进一步向外，流动更不规则，低速带条顶端产生涡，马蹄又在自身诱导下，又形成发卡涡，逐步向对数层过渡。发卡涡不稳定，在破裂时边界层外层区域的高速流体进入缓冲区，在缓冲区，在缓冲区被减速并再次形成新的低速带和涡。正是这种周而复始的低速带条向外喷射和高速流体向壁面涌入的过程中产生了整个边界层的大部分湍流流动过渡层的厚度约为：5y+30 (3) 对数层：对数层又称为湍流层，距离壁面较远，此层中湍流切应力对动量的传递起到很大的作用。其厚度约为：30y+0.2 在该层中，流动属于湍流，流向平均速度与距离壁面高度呈对数关系。对数层中，壁面切应力仍然影响着流体流动的物理量。另外，在粘性底层和缓冲区中产生的马蹄形涡和发卡涡可以很深的进入对数规律区，其高度可以大于100，甚至接近于非湍流的边界层，外部的高速流也可通过这一层冲入缓冲区和粘性层中。（4） 尾流侓区：在该层中流体运动仍处于完全湍流状态，但与对数侓层相比，湍流强度以明显减弱，边界层的流动特征已接近尾声。尾流侓层的厚度约为：0.2y+0.4 (5) 粘性顶层：粘性顶层是从边界层中的湍流到外部非湍流的过渡层，其厚度约为：0.4y+ 在该层中，由于湍流脉动引起外部非湍流不断进入边界层而发生相互混杂，湍流强度显著减弱，加上湍流脉动的随机性变化，导致在同一空间点上的流体质点有时是湍流流动有时又是非湍流流动。 研究表明，近壁区与湍流的机理密切相关，湍流的形成和发展主要是出现在近壁区，此区的湍流动能的产生和耗散对整个湍流边界层起着重要的作用。(1)伪塑说Toms最早提出，聚合物溶液具有伪塑性，剪切速率越大，表观黏度越小，溶液通过管道流动时，壁面附近剪切速率大，黏度降低，从而使流动阻力降低。经过后来大量的实验和理论研究表明，聚合物添加剂湍流减阻机理要复杂得多，目前这种理论已被否定。(2)有效滑移说Vir根据管流速度分布测量结果提出了弹性缓冲层的流动模式。他认为聚合物的加入在管壁的层流层和湍流核心之间生成一弹性缓冲层，此层的速度梯度较大，使湍流核心部分的速度分布曲线相对于牛顿流体的速度分布曲线向上移动了一个距离，即湍流核心部分的速度增大值。将此数值称为“有效滑移”。由于湍流核心部分速度加大，相同条件下通过的流量增加，故发生减阻。弹性底层是聚合物分子与流动发生作用的区域，也就是发生减阻的区域。根据vir的假说，减阻剂浓度增大，弹性厚度也增大，当弹性层扩展到管轴时，减阻就达到了极限。该假说成功地解释了最大减阻现象，而且也可以解释管径效应。但按照Vir的假说,最大减阻时的浓度应与最大传热减阻减小时的浓度相等，可实验结果证明是不等的。(3)湍流脉动抑制说由于高聚物和表面活性剂减阻剂和对流动处于湍流时才有减阻效果，故有人提出，减阻是由于溶液中的减阻剂抑制了湍流漩涡的产生，从而使脉动强度降低，减少了能量损失，最终结果是发生了湍流减阻现象。针对这一观点的正确性，曾有两种不同的判断。到目前为止所有有关添加剂湍流减阻流动的研究结果中，都得到了垂直于壁面方向上湍流速度脉动强度降低的结论，一部分学者认为在流向上的湍流强度却有所加强，这是基于比较牛顿流体湍流和减阻湍流中主流向无因次脉动速度强度而得出的结论，这里的无因次速度脉动强度是通过除以自身工况下的摩擦速度作为无因次速度参数重新检验前人的研究结果发现，所有的湍流减阻流动中各个方向上可认为是正确的，但必须指出减阻剂的作用并不只是减弱了湍流脉动的强度，同时也改变了湍流结构。(4)湍流脉动解耦假说目前很多研究表明，减阻剂对湍流的作用是降低了轴向脉动和径向脉动的相关性，这种作用称为“解耦”。由于湍流脉动的解耦减小了雷诺应力，根据Fukagata等推导出的雷诺切应力与摩擦阻力系数之间的直接关系式可知，雷诺剪切应力的减小直接导致湍流流动的摩擦系数降低，发生减阻现象。实际上，雷诺剪切应力的减小是湍流脉动解耦和湍流脉动抑制两方面共同作用的结果。这一假说在定性上也是正确的。(5)黏弹说具有减阻效果的高聚物溶液和表面活性剂溶液一般都表现出黏弹性这种流变学物性。随着黏弹性流体力学的发展，有人提出高聚物和表面活性剂减阻剂溶液的减阻作用是其黏弹性和湍流旋涡之间发生相互作用的结果。位于高应变速率区的减阻剂溶液内微观结构可以将载能漩涡旋区中由小尺度涡旋耗散的能量吸收并存储在伸展的微观结构中。当储能微观结构扩散或对流到低应变速率区之后，将松驰至无规则线团状，其储存的能量则以弹性切应力波数涡旋，大大减小了流体的流动动能的耗散，实现湍流减阻。减阻剂湍流减阻剂机理的黏弹性理论是DeGennes提出的。黏弹性假设不仅能解释许多具有黏弹性的高分子聚合物和表面活性剂溶液的减阻现象，而且还能定量计算减阻率，也是从湍流物理的角度研究减阻机理、发展新的湍流减阻流动的定量分析理论的有力工具。然而DenToonder的应力各向异性理论的研究使之受到了挑战。(6)应力各向异性假说Bewersdoff等运用冷中子小角度散射测量技术，观察了一种表面活性剂溶于重水中所成胶束的变形的特点。发现溶液静止时，胶束呈现椭球形，椭球的长短随机取向，而溶液在湍流时，椭球长短轴随机取向具有一定的方向性。该结论也与应力各向异性假说相符。目前该方向上的研究并未最终定论。(7)涡旋稳定假说在湍流中，流体的流动阻力主要是由尺度大小随机、运动随机的旋涡形成的。尽管旋涡的形成是随机的，但漩涡总是逐渐分解而产生尺度越来越小的漩涡，直至分解到相对于该流动雷诺数下的最小尺度涡，旋涡能量最终因流体的黏性变成热能而耗散掉。该假说指出，减阻剂的存在将使湍流中的能量级发生极大变化时，即当紊流流体的雷诺应力与减阻剂溶液的弹性应力处于同一数量级时，能量传递链被“截断”了，能量耗散无法达到最终状态，于是流动阻力就下降了。(8)表面随机更新假说对于壁面湍流，其边界层可分成三层:黏性底层、过渡层和湍流核心区。黏性底层是靠近壁面的薄层，其中存在间歇性的湍流脉动。如果把壁面湍流流动的动量传递传递边界层看成是由一块块的能量传递块组成，那么这些能量传递块会随机地被来自主流的流体微团所更新，分解成新的流体单元而产生漩涡，产生能量级联，完成动量的传递和能量的扩散。该模型在湍流随机理论和Danckwers表面更新理论的基础上，认为牛顿流体中加入减阻剂后，由于减阻剂分子在管壁上的流体块难以被更新，阻碍了漩涡的生成，导致能耗减小而达到减阻作用。(9)其他从分子变形的角度，Keyes和Abernathy分析了涡管在剪切流中的进化情况。大分子的变形运动产生了两种作用，即阻碍涡管的形成和对一形成的涡管阻碍其发展。这两种作用的综合效应是降低了高分子稀溶液湍流的促发周期，从而导致了湍流减阻。2.2影响表面活性剂减阻的因素2.2.1烷基烷基链中碳原子数的奇偶性用氯化烷基三甲基胺(简写为CTAC, n为烷基中碳原子数)/3-氯安息香酸体系研究了不同碳原子数对减阻效果的影响。20时C15TAC溶液的减阻率很小;25时溶液减阻率的最大值为65%；55时最大值为 50%；60 时最大值仅20 %；60以上时线性胶团结构变成了球形，无减阻效果。因此，最有效的减阻温度为 2555。有很多人研究了这一现象，都没有给出一个令人满意的解释。LiYajuan等研究了二价染色体活性剂烷基链的奇偶性影响其胶团生成焙原因。对于烷基链长为偶数的活性剂，季铰官能团中碳碳键的方向与主要分子轴的方向一致，这有利于烷基链的聚集；而对于烷基链长为奇数的活性剂，季铰官能团中碳碳键的方向与主要分子轴的方向发生偏离，这不利于烷基链的聚集。因此，烷基链为偶数的活性剂，胶团生成焙随碳原子数增加直线下降；烷基链为奇数的活性剂，胶团生成焙随碳原子数增加是渐渐上升的。2.2.2烷基链头基总的说，在高温时头基较大的活性剂减阻效果较差，并且头基较大的活性剂减阻温度上限也较低。这是因为在表面活性剂减阻过程中，补偿离子的结合状态起着很重要的作用，它影响胶团的形态和生长动力学。如果活性剂的头基较大，补偿离子和头基之间的位阻也较大，补偿离子和头基之间的结合就较差，很容易在较低的温度下就分裂了。2.2.3 烷基链长度不论烷基链长是奇数或偶数，活性剂的临界胶团浓度都随着碳原子数的增大而减小。例如:在 303.15 K时，双溴化烷基二甲基己基按溶液的临界胶团浓度随着烷基链长度的增加而减小。因为随着链长的增加疏水性增大，聚集在活性剂胶团内部的活性剂分子就较多，导致胶团生长。临界胶团浓度的减小使活性剂在较低的浓度下就可能形成线性胶团，线性胶团又是减阻的前提条件，因此烷基链的增长对减阻有利。但是单一表面活性剂的使用温度范围有限，将不同烷基链的表面活性剂添加在一起，是扩大其使用温度范围的有效方法。这可能是因为混合以后更有利于形成稳定的线性胶团网络结构。例如：将摩尔分数为 10%的 CTAC 的阳离子表面活性剂加入到含CTAC的表面活性剂中，可以显著扩大减阻温度范围，即从80130扩大到4120。2.2.4表面活性剂的浓度减阻剂添加的浓度影响着管壁附近层流底层的厚度，浓度越大，弹性底层的厚度越大，减阻效果越好，理论上当弹性底层达到管轴中心时，减阻率达到了最大。表面活性剂要达到减阻目的，还存在一个临界胶团浓度的问题。当活性剂的浓度低于临界胶团浓度的时候，活性剂溶液中的线性胶团转变为球形胶团，胶团结的改变使活性剂丧失了减阻作用。活性剂浓度增加时减阻率是增大的。2.2.5 补偿离子2.2.5.1补偿离子的浓度当补偿离子浓度增大时，形成更大的胶团，减阻效果会更好。但是补偿离子浓度与活性剂浓度的相对大小，不仅会影响有效减阻温度范围，还会影响活性剂的减阻效果。将C16TAC和不同的补偿离子棍合后进行实验，当补偿离子的浓度与性剂的浓度比值为 1 时，3, 4 甲基安息香酸盐(3, 4-dunethylbenzoate)体系的有效减阻温度范围为 540; 3, 4 氯安息香酸盐(3, 4-dichlorobenzoate)体系有效减阻的温度范围为 2070。将前述比值增加到2时，这两个体系的减阻温度上限增加 10。比值为 1 时，3，4甲基安息香酸盐和3，4 氯安息香酸盐溶液均有泡状和效状的微结构，在受剪切时能转变为线性胶团，可以实现减阻。比值为2时3，4 甲基安息香酸盐溶液有线性胶团网络，减阻效果很好；3，4 氯安息香酸盐在静态时只有泡状和球状的微结构，只有在高速剪切条件下才可能转变为网络结构，具有减阻的能力2.2.5.2补偿离子的疏水性与亲水性与碳氧阴离子作为补偿离子相比，碳氟阴离子能表现出良好的与胶团结合能力，并且可以使胶团稳定存在，降低临界胶团浓度。碳氟阴离子和碳氧阴离子混合组成的补偿离子形成的胶团更稳定。 2.2.5.3补偿离子的电荷性质以及电荷数表面活性剂胶团的特点受活性剂与补偿离子电荷性质以及电荷数的影响很大。与一价的补偿离子相比，即使是在较低的温度下，带二价电荷的补偿离子和胶团的结合程度要高得多，胶团90%以上的电荷被中和。2.3其他因素的影响2.3.1管路系统的直径处于管路中的表面活性剂溶液的减阻效果必然受管径的影响。一般来管道的当量直径越小越容易发生湍流减阻现象，减阻现象越明显，另外还受管道系统内壁的粗糙度有关 ，粗糙度越大管道的表壁的剪切应力也越大，会增加管道的阻力，还会与管道的变径有关，产生水头损失的局部阻力。每一种管径都对应一种减阻率时最大的雷诺数，即临界雷诺数，当管径增加时，其临界雷诺数也增加，相对应的最大减阻率也增加。随着流速的增大，雷诺数也增大，在这种情况下，表面活性剂在剪切力作用下形成剪切诱导结构抑制湍流的发生而减阻，剪切诱导结构会软化，形成更加细密的减阻结构，减阻率也增大。当雷诺数大于临界雷诺数时，流速的增大减阻率反而会减小因为此时的剪切诱导结构遭到破坏，待雷诺数回到临界雷诺数以下时，表面活性剂会恢复减阻效果。在管径为10150mm的管路系统中，要研究直径对高浓度活性剂减阻效率的影响，首先需要建立一种理论模型，然后将理论推算值与实验测试值相比较。该理论模型只有在表面活性剂的浓度较大时才成立，它的核心内容可以表达为：式中；为剪切速率变化；为壁面剪切速率；壁面径向速率；;为管径；所有的实验结果和理论推算值都在靠近 Virks 最大减阻渐近线上方急剧减小;对直径一定的管路系统存在一个最大减阻率；管径增大时减阻率增大。在高雷诺系数区，较高的剪切应力使活性剂的剪切诱导结构丧失，因此，对管径10150 mm的管路系统，活性剂在该区的摩擦系数都会急剧增大。2.3.2流体介质的速度和温度减阻表面活性剂都只能在一定的速度范围(雷诺数范围)内才能有效减阻。各种活性剂有效减阻所对应的速度范围和雷诺数范围明显不同，减阻有效的速度范围决定性因素在于表面活性剂的化学结构、浓度和溶液的老化时间等。雷诺数能够影响流体的流变学性质，该性质随剪切诱导结构变化而变化。每一种减阻剂都对应临界减阻速度，当平均流速小于该流速时随着流速的增大，减阻率也增大，当流速大于临界流速时，平均流速增大减阻率反而会减小因为此时剪切诱导结构遭到破坏。根据雷诺数大小可以将流体分为4个区：一区为层流和过渡流体，没有减阻效果；二区随着雷诺数的增大减阻率增大；三区随着雷诺数的增大减阻率减小；四区减阻能力消失。这解释不了活性剂只有在一定的速度范围内才能减阻的根本原因。活性剂只有在一定的温度范围内才能减阻。在有效的减阻范围内才具有减阻效果，超过有效的减阻范围，减阻剂的减阻效果受到抑制，高温下减阻剂降解，失去或减弱减阻特，性活性剂的减阻率随着温度升高先增大后减小，但是温度和减阻率的关系不是简单的线性关系。2.3.3环境中的金属离子在有水或其他流体的管道循环系统中，金属离子来源有几个方面(硬)水中带来的离子：Ca2+和Mg2+以及表面活性剂带来的Na+离子;管道腐蚀带来的离子：Zn2+、Cu2+、Fe2+以及它们对应的化合物等。在循环系统中表面活性剂用来减阻时，保持长期稳定的减阻效果是很重要的。一些活性剂在使用一段时间过后会丧失减阻效，并且减阻效果丧失之后不可恢复。依据活性剂体系中各种成分的不同，有效减阻时间从几年到几十年不等。因此人们推测，这可能是循环系统中的金属离子浓度随着时间的延长而增大，这些金属离子会破坏减阻剂的减阻结构使活性剂的减阻能力下降甚至消失。因为不同离子对活性剂流变学和减阻能力的影响是一致的，证实这种推测的方法之一是通过测试这些金属离子对活性剂弹性的影响，来研究金属离子对减阻的影响。结果证实了表面活性剂减阻效果受不同金属离子的影响效果是一致的。2.3.4雷诺数的影响减阻添加剂只有流动处于湍流状态时才会发生减阻现象，并且湍流现象发生后，雷诺数在一定范围内，减阻率随着雷诺数的增大而增大，对一定浓度的减阻液来说，存在一个临界剪切雷诺数，当流体的雷诺数处于临界雷诺数以下时，减阻液的雷诺数增大，减阻率增大减阻效果最好，当减阻液雷诺数大于临界雷诺数时，随着雷诺数的增大，减阻率反而减小直至消失。2.4表面活性剂减阻方程式的介绍由于对表面活性剂的研究是一个较新的领域，对于表面活性剂方程式的研究也并不是很多。由于表面活性剂的减阻和高聚物减阻属于同类现象，因此表面活性剂也可以采用高聚物添加剂的计算方程。虽然在减阻湍流结构方面已取得了不少试验资料，但由于问题复杂，对时均结构的研究还基本上局限于试验数据的一些经验分析和近似处理，而对脉动结构的研究还停留在对试验资料的简单描述阶段，尚无经验公式可言。从粘弹性流体的基本关系式(即麦克斯韦方程式)出发，根据窦国仁教授针对牛顿流体提出的湍流随机理论应用于粘弹性流体，用于阐述减阻流的时均结构和脉动结构。2.4.1粘弹性流体的剪力及湍流运动方程在牛顿流体中加入少量的表面活性剂，使得流体转变为粘弹性流体，从而使流体内部的剪切应力发生变化，对于牛顿流体，其切应力： （2-1）对于黏弹性流体，其切应力的经典模式有开尔文和麦克斯韦模型。从麦克斯韦模型出发，得: （2-2）式中：讨论点的剪切应力，N/m2 流体的动力粘滞系数,m2/s 流体的松弛时间，s; 剪切速率随时间的衰减率,N/(m2.s）。如果令无尺度剪切应力的变化率的绝对值与无尺度速度梯度绝对值的比值为，即令 （2-3）则可以写出 （2-4）式中 *壁面处的切应力，N/m2 m表面活性剂的松弛时间，s; R管道的半径，m。 当取自底壁面垂直向上时，为正值，而剪切应力应力随时间衰减率为负值，故去掉绝对值后有 （2-5）式中 *壁面处的剪切应力，N/m2。 m表面活性剂的松弛时间，s; R管道的半径，m。如果令 D=1+ （2-6)其中为流体的动力粘滞系数，则（2-2）变成 （2-7）这样就表述出黏弹性流体的剪切应力公式。其中D可以称之为减阻参数。3表面活性剂的国内外研究及运用状况3.1国外研究状况自从Tom效应被发现以后，人们主要运用高聚物来作为减阻剂，在泵的机械力剪切作用下，高聚物的长链会断裂而丧失减阻效果，导致系统的阻力特性很不稳定且很难控制。20世界50年代以来，人们发现在水中加入表面活性剂之后也可以产生减阻的作用，且稳定性高，经过长时间运行之后仍然具有良好的减阻效果，表面活性剂具有轻微的毒性和腐蚀性，加入少量会对金属会有轻微的腐蚀，一旦这些问题问题能够解决的话表面活性剂将会有很大市场价值。液态减阻流体可以分为水溶性减阻剂和非水溶性减阻剂，胶束溶液也可以分为两类水溶性胶束和非水溶性胶束，用于水溶性胶束减阻有单价金属皂离子减阻剂，有机胺阳离子表面活性剂，低聚物非离子表面活性剂。这些表面活性剂能够溶于水并在水溶液中形成较大缔合数的胶束。1967年savins最早研究疏水基团从碳十二到十八的羧酸钠、钾、铵盐的胶束水溶液的流体等单价皂溶液减阻相关动力性质，并对胶束受影响；温度、浓度、酸度、电解质、管径、流速等坏境因素进行了实验。Savins 实验表明，胶束溶液具有优良的抗剪切性能，在剪切力作用后能够立马恢复剪切特性，但他注意到了这种胶束水溶液对重离子浓度、酸度、电解质、浓度等影响极为敏感，并且还存在着减阻失效点，他取得最大减阻百分比是82%。1968 年 White 用有机胺阳离子十六烷基三甲基溴化铵和萘酚表面活性剂的混合，制成一种新的表面活性剂溶液，在 0.5 英寸的管径的管子做实验，取得了最大减阻效果是70%。 1971 年 Liaw 等人的研究发现，铝皂表面活性剂在浓度为1%或者更低的浓度条件下的溶液，该溶液具有粘弹性并发生减阻。这些减阻特性为“稠化”特性，不是从层流区到湍流区出现一个起始点后开始减阻，而是在层流区内一直都存在减阻，直到雷诺数足够大时，减阻被破坏。1973年Mcmilan发现表面活性剂存在管径效应，以及达到一定浓度时，表面活性剂存在老化和机械降解等问题。Mcmilan将其结果称为稳定模型，他发现使溶液具有很好的减阻特性必，须保持在一定的浓度界限之上，这样才能保证减阻溶液在裂解和聚合存在一个动态平衡过程。否则溶液将处在亚稳定状态，一旦出现高剪切溶液将失去平衡，溶液减阻结构被破坏，失去减阻性能。1975年Lee 分别使用了 0.05%的油酸铝和 0.1%的硬脂酸铝进行实验，得到了6065%的减阻率，同时还发现存在着临界剪切应力，即减阻失效点，他认为这是受到机械剪切所引起的，而且胶束减阻长链断裂，其恢复过程需要很长时间的，可能恢复不了，他还发现加入少量的氢会导致胶束的散裂。1980 年 Vocel 用有机胺阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和萘酚的混合配置减阻溶液，实验时发现，只要溶液的浓度等于或者超过 CMC(临界胶束浓度)，立即有减阻现象。他们还发现这种溶液不存在机械降解问题并且具有高度粘弹性。1986 年丹麦就对减阻技术在供热系统和热水输送进行了研究。到目前为止，丹麦己成功地研制了多种表面活性剂添加剂，它们可用来输送热水及冷冻水、冷却水，目前被用于实际工程中。日本对此也进行了大量的研究，已经被运用到很多供热、集中空调系统中。川口靖夫研究组研究的界面活性添加剂，可以用运用于热水及冷冻水、冷却水输送系统中，可减少一半以上的泵耗(试验测试结果)，目前已经被开发其商业价值。3.2国内的研究状况我国开始对表面活性减阻剂研究较晚，但是已经积累了相当丰富的经验。1979年，天津工程机械学院研究了在表面活性剂在液力油进行了减阻的可行性，并得到了30%的减阻效果，但是由于种种原因被中止了。 1987哈尔滨建筑工程学院张伟佳在研究油酸钾水溶液减阻性能时发现，这种胶束存在双反映点想象，即胶束溶液二次减阻现象。1991年哈尔滨建筑工程学院的陶静，马祥光对阳离子表面活性剂进行了研究。实验结果表明，阳离子表面活性剂具有很多优点。首先，不存在永久性降解，在泵的循环系统中，在30,甚至高达100以上的高温，仍具有良好的减阻效果；第三，适用于普通自来水管道、蒸馏水管道及普通工业管道;第四，减阻的同时阻碍了热量的传递，在输热过程中减少了热量损耗;第五，利用减阻的剪切失效及温度失效的可逆性，在传热过程中可以控制热量的传递和调节。如在换热器中需要加大传热量时，可以减小管径使壁面切应力大于临界切应力，从而使减阻失效，传热量增加。总之，表面活性剂的减阻效果好、性能稳定和可控性良好，是可以作为一种新型的减阻剂用于泵的循环。在工业生产、供热工程等方面有着很大的潜在的价值。2002 年上海交通大学机械与动力工程学院许鹏、王德忠、黎光、周浩军等人对温度、浓度、配比变化对氯化十六烷基三甲基季钱减阻流体的减阻性能产生的影响进行试验研究，同时初步研究了流体的流场，认为在主流方向上存在低频周期运动。其主要研究高浓度的CTAC 溶液(如 170ppm 和800ppm) 的减阻效应,试验表明低浓度的 CTAC 溶液也是可以存在可喜的减阻效果。而且更经济，在一维流道中随伴水杨酸钠(Nasal)的浓度变化情况对稀 CTAC 溶液的减阻性能进行更细致的试验研究；测量减阻流体一维流道中的速度曲线，并进一步的研究减阻流体的流场结构。2006年西安交通大学动力学院魏进家对低浓度十六烷基二甲基氯化钱表面活性剂溶液的旋转流动进行了实验研究。表面活性剂溶液的质量分数范围为 5x10-51x10-3雷诺数为 4.3x103。实验得到了旋转流体自由面中心主陷深度与表面活性剂溶液质量分数和减阻之间的对应关系。可以用来判别小黏弹性低浓度表面活性剂溶液的减阻特性.同时也发现了表面活性剂溶液的小粘弹性对自由旋转流动涡结构的影响规律.实验发现对于水的自由面旋转流而言，其中央轴对称平面内的流动形态与低雷诺数情况有很大的不同。由离心力引起的惯性驱动涡被反方向旋转涡推挤到自由面与容器壁面之间的角落内;质量分数对于表面活性剂溶液而言。其中央轴对称平面内弹性驱动涡占主导地位.惯性驱动涡被挤压在容器底部与容器壁面之间的角落内。这对于研究表明活性剂的减阻机理是很有帮助的。总之，通过表面活性剂减阻的实验研究已经取得的及将来必定会出现的科学技术的进展，使这个研究领域成为使人振奋的领域。而在这个领域内的胶束非水溶液减阻又有着其它减阻不可比拟的优越性，显示着更强的生命力。它的研究不仅可以使人们增加对自然规律的认识，而且可望应用于一些可以立即造福人类的应用工作。4主要研究的方法和内容4.1研究的内容作为减阻添加剂，表面活性剂有着无法比拟的优越性，其优越性在于经过泵的剪切之后减阻性能可以马上恢复，加入少量就可以有明显的减阻效果，且对环境造成的污染小，有着很好潜在的商业价值。这一研究的开展对开辟新的减阻剂领域，节省能源以及研究减阻机理和紊流机理具有很重大的作用，表面活性剂的家族庞大，种类繁多，特性各异。国外虽有不少的研究成果，但距离表面活性剂的全面开发和系统研究还有很大，其减阻原理复杂，研究难度很大，需要数值模拟来辅助分析其减阻原理，目前研究理论还不成熟，未来的发展前景广阔。 湍流的研究已有百年的历史，从经典统计理论到计算直接数值模拟；从热线风速仪的单点速度脉动测量到湍流脉动场的粒子图像测速法；从简单湍流流动的涡黏模型到复杂流动的精细模型，在探索湍流的历程中，学者们创造了先进的研究手段，设计出各种精细的流动及其流场测量方法，有效利用计算机技术和近代数学工具，使这些湍流研究在近代有了长足进步。本文针对表面活性剂的减阻原理，通过实验来分析，实验采用piv高速摄像，捕捉方形管内粒子的流场，研究减阻剂的浓度，雷诺数对减阻率的影响。研究减阻溶液的流速对减阻率的影响，减阻溶液的浓度与压降的关系，雷诺数与压降的关系，包括平均流速、速度脉动强度、剪切应力和涡量场的研究，并通过与水的湍流流场进行比较，分析表面活性剂减阻流体的湍流结构特性，进而探索添加剂流体湍流减阻的机理。4.2研究方法4.2.1流变模型及数值模拟研究对于添加剂湍流减阻的研究有理论研究、实验研究和数值模拟