表面活性剂溶液减阻性能测试毕业论文.docx

表面活性剂溶液减阻性能测试毕业论文目 录1 绪论11.1 研究背景11.2 研究现状及意义11.3 本文研究的主要内容22 减阻的理论基础42.1 表面活性剂溶液物理化学性质及结构42.2 减阻特性52.3 减阻的影响因素72.4 表面活性剂水溶液减阻机理假说92.5 表面活性剂的应用102.6 章节小结103 实验系统介绍与调试113.1 实验系统简介113.2 实验系统组件介绍123.2.1 储水箱123.2.2 二维实验段133.2.3 测压孔与测温孔133.2.4 仪器仪表选型143.2.5 PIV测试系统173.3 实验系统调试183.3.1 离心泵调试193.3.2 流量计调试193.3.3 差压变送器调试193.3.4 二维通道调试203.3.5 PIV系统调试223.4 章节小结264 表面活性剂减阻性能测试274.1 实验溶液274.2 实验步骤274.3 实验结果分析及讨论284.3.1 实验原理284.3.2 减阻性能实验结果及分析294.3.3 减阻率分析324.4 章节小结355 表面活性剂湍流性能测试365.1 实验内容365.2 实验结果分析及讨论365.2.1 实验原理365.2.2 流道横截面的平均流向速度分布375.2.3 湍流分析375.3 章节小结406 结论与展望416.1 本文的主要结论416.2 展望42参考文献43附 录1 英文原文44附 录2 英文翻译58致 谢73主要符号表主要符号表Cm表面活性剂和反粒子物质在溶液中的质量浓度/ ppmH二维通道高度/mD 二维通道的水力直径/mL测压孔距离/mW二维通道宽度/m 流体密度/ kgm-3ppm百万分之一/浓度单位溶液运动粘度/ m2s-1P压力差/PaUb速度/ms-1Re雷诺数/ UbH-1Rec临界雷诺数w壁面剪切应力/ Paf /Cf范宁摩擦阻力系数/2w(Ub2) -1DR减阻率/%L取压孔间距/m 摩擦速度/(w/)0.5/ms-1无量纲速度/ U()-1y壁面坐标/m无量纲壁面坐标/y-11 绪论1 绪论1.1 研究背景近三十几年，减阻流动的研究一直是流体力学研究的重点课题之一。因为减阻流动对提高经济性的巨大潜力，促使了人们不断地对减阻机理的探索，同时也随着探索的深入，已经取得了相当多的宏观、微观领域的成果。但是，由于减阻现象的复杂性，以及影响减阻效果的因素的多样性，人们对减阻现象和机理的认识仍然处于摸索阶段，已取得的理论和研究成果仅能从某些方面解释减阻现象，还不能从本质上真正的解释和预测流动的发展及变化，远远没有达到系统化、理论化，距离实际应用还有相当长距离。同时，对节能的迫切需求也成为了减阻研究的动力。近年来，由于地球上已探明的化石能源即将消耗殆近，而且，由于人为等因数导致了环境的普遍恶化，环境问题严重威胁着人类的生存和发展。随着人们的生活水平的不断提高，节能迫在眉睫。这就使得通过减阻达到节能的研究成为了必然。1.2 研究现状及意义众所周知，流体在输送过程中，会不可避免的与通道发生摩擦，从而产生摩擦阻力。当其中加入少量的减阻剂时，就会出现在同一流速下，其湍流摩擦阻力系数减小，或在同一压降下流体流速增大的现象，这种现象就是流体减阻现象。减阻现象早在七十多年前就被发现的，那时是把木纤维加入到湍流状态下的水中，从而发生了减阻现象，但是当时该现象并没有被重视。而通常研究学者认为的第一次发现减阻现象是由Mysels1等人在20世纪40年代所发现的。此后，减阻现象受到科学与工程界的广泛关注，并纷纷展开多个方面的研究工作。对于在环境介质中运动的物体来说，阻力主要分为形体阻力和壁面摩擦阻力。形体阻力包括尾流阻力、提升诱导阻力和波阻。而交通工具的减阻主要是采取各种措施来降低尾流阻力。1904年，Prantle2精确地解释了边界层分离的机理，这就为后来的降低尾流阻力的研究提供了可靠的理论依据。通常采用的减阻手段主要是采用流线型外型、壁面热传导、壁面吸入、稳定绕流等的手段减少边界层分离，从而使运输工具和武器能够得到很大的发展，同时减小了能耗。减阻研究最早是在流体中加入添加物来进行减阻的。这些添加物主要有：表面活性剂、固体颗粒、纤维等物质、高分子物质等，它们能大幅降低流体的壁面摩擦阻力，最大可达80。所有的减阻添加剂都具有如下特征：1具有微观形成的纤维状结构(分子或胶束)，分支少或没有。2纤维状结构具有柔韧性。3其溶解性良好。以上条件是成为减阻添加剂的必要条件。现已知的减阻添加剂有：高分子聚合物、表面活性剂、泥浆、纤维等。高分子聚合物有极佳的减阻性能，曾是减阻研究的主流，所以人们对高分子减阻的研究获得了大量有价值的成果；因为高聚物和表面活性剂溶液之间的相似性，这些成果对后者的研究具有重要的指导意义。由于高聚物的先天缺点，决定了其很难付诸于实际应用。实验已证实，在利用高分子聚合物进行热量输运时，会出现减阻效应逐步减小的现象，而且温度越高，就越强烈。同时，当高聚物的直长链分子结构受水泵等的高剪切作用时，会发生永久性的机械降解。在降解后，该聚合物就失去了减阻效果，因此添加高聚物减阻只适用于非循环式的流体输送系统。因此，在循环系统的应用中，高聚物作为减阻剂受到了一定的限制。而表面活性减阻剂相较与聚合物来说，其最大的优点就是具有分解可逆性，也就是说，当受到高剪切力或高温作用时，减阻能力会被暂时破坏，一旦剪切力或温度降低到一定范围内后，减阻性能又会恢复。这一优点使表面活性剂逐渐受到人们的关注，成为了不可或缺的减阻剂。基于以上优点，表面活性剂溶液更适用于闭路循环系统。区域集中供热循环系统（DHS）是工程领域使用最多的。在此系统中，泵主要是用来输送冷/热水到各个单位进行冷却或加热。供应站则利用电厂或工厂的余热把水加热，其与传统的独立加热和冷却系统相比，不仅成本低且对空气污染小，具有很大的优势。同时在燃料价格不断上升的今天，DHS的能量高利用率的特点使其更具优势。如果在其中使用减阻剂，对已建系统来说，对于相同工况，会明显降低泵的功率，达到节能的目的。而对于新建系统来说，因为使用了减阻剂，相同的泵功会得到更大的流量，这就能节约建设成本。而在这类循环系统中，泵这种设备是必须的，如上所述，高聚物会受泵高剪切力作用，分子会被永久性降解而失去减阻作用，而对于表面活性减阻剂，其自修复功能更适合这类循环系统，而且减阻效果更稳定。同时表面活性剂溶液的节能效果，在全球能源危机、环境恶化的今天，具有很高的研究价值和意义，这就有必要对表面活性剂溶液的特性进行深入的研究。1.3 本文研究的主要内容本章通过对减阻流体的发展历史、应用领域等方面进行了综述，从而得出本课题的研究背景和应用前景。为了能进行更进一步的研究，就必须对该领域已取得的研究成果进行一个比较全面的了解。从这些研究结果中可以看出，除本身的物理和化学性质之外，还存在着一些决定溶液的减阻效果的因素，比如：温度、减阻剂浓度、流动雷诺数、补偿离子浓度、流动通道的影响等。而在以往的研究中，温度因素的研究比较欠缺。为此本文主要研究CTAC/NaSal表面活性剂在不同温度、不同浓度下的管内湍流流动减阻特性，并且对其实际应用进行了探索。表面活性溶液的减阻特性的研究内容：配制不同浓度的CTAC/NaSal表面活性剂溶液，且在当量管径为55.56mm (H=30mm)的二维通道内进行了减阻特性的实验研究，(1) 浓度范围：30ppm 200ppm；(2) 温度范围：20 30；(3) 雷诺数范围：2103 5.0104。并对此进行了对比分析，得出了温度、浓度和雷诺数对减阻影响的规律。同时用PIV对雷诺数为5000和10000时的水和30ppm浓度的CTAC溶液进行拍摄，之后进行湍流特性的实验研究，探讨减阻与湍流之间的关系。同时还翻译了一篇与本文内容有关的英文文献，文献原文见附录1，译文见附录2。732 减阻的理论基础2 减阻的理论基础2.1 表面活性剂溶液物理化学性质及结构1) 物理化学特性表面活性剂能显著降低溶液的表面张力，即使在很低浓度下也一样。现在都将低浓度下能显著改变物质的表面特性或与之相关的特性的物质都归类到表面活性剂的范畴。表面活性剂分子是由亲水基和亲油基（憎水基）两个截然不同部分组成。由于水分子对亲水基有吸引作用，而对亲油基则有排斥作用，所以其结构特点使它溶于水以后，为了达到稳定状态，只有处于溶液的表面，将亲水基伸向水中，亲油基伸向气相。这种特点必将决定了，在溶剂(水或其他有机溶剂)中加入表面活性剂后，必然会形成微观不均匀溶液。这种特殊的分子结构也可以认为是表面活性剂的所有的性质的原因所在。因为存在着对减阻不利的疏水基群，为了避免其与水接触，有两种比较常用的方法可以解决。（1）让疏水基群附着在如气相、非极性固相，或者疏水性液相的非极性相上。（2）让疏水基群形成胶束结构（如图 21）。图 21 表面活性剂在水中的溶解状态2) 胶束结构表面活性剂有一个临界胶束浓度CMC（Critical Micellion Concentration），当其浓度小于CMC时，表面活性剂分子为了使体系获得最低的自由能，将聚集于溶液的表面，并将亲水基伸入水中，亲油基伸入空气中；如果继续增加其浓度，当达到一定值后，溶液表面的活性剂分子数将不再增加，就会在溶液的内部形成了一种亲水基向外，憎水基向内的多个分子的有序结构。因为这种结构使得水分子与憎水基的接触面积最小，体系的自由能也最小，从而保证了该结构的稳定。此时的浓度就是临界胶束浓度CMC。一般认为，胶束大多呈球状主要出现在当溶液中不含其他添加剂及加溶物且浓度不大时。Anacker和Debye 3利用光散射法对胶束进行了研究，提出当浓度大于CMC时，并在一定范围内，胶束是球状的，且缔合度不变，即只有一种形状和类型且大小一定。例如，在其研究中的C12H25SO4Na水溶液，当表明活性剂浓度为CMC时，其胶束的聚集数为73，当浓度增加后依保持不变。T.M.Clausen等人4则对浓度为005M的CTAC溶液使用低温电镜技术，同样也拍摄到了溶液内部存在着球状胶束结构。而当浓度远浓度高于CMC且有大量伴随离子时，胶束一般是非球状的。Anacker和Debye 3通过对光散射实验的结果进行分析之后，提出了棒状胶束模型。这种形状能极大的缩小表面活性剂分子的碳氢链与水的接触面积，从而获得更高的热力学稳定性，甚至在某些表面活性剂溶液中，这种结构还具有一定的柔顺性。T.M.Clausen等人4的研究也同样得到了这种类似的结构，并在其报告中给出了“蚯蚓状胶束(worm一1ike micelle)”的照片。同时值得注意的是，他们在实验中甚至还观察到了环状胶束的结构。在他们的实验中观察到，CTAC球状胶束的直径及蚯蚓状胶束断面直径大约为5nm。2.2 减阻特性流体减阻现象是一种很特别的现象，当流体处于湍流状态下时，如果加入少量的减阻剂，在同一流速下，摩擦阻力将会大幅度的减小。减阻剂一般分为三种类型：聚合物、纤维悬浮物和表面活性剂。在以前的工业应用中，聚合物溶液使用得较为广泛，但是，随着人们的认识不断深入以及聚合物本身的局限性和表面活性剂的优点，使得表面活性剂作为减阻剂的应用逐渐受到了重视。在下面将会对各类减阻剂进行更深入的探讨5。1） 聚合物对于聚合物，其要有效的发挥减阻性能，需要在比较低的浓度下才行，通常溶液的浓度一般为十分之一或百分之一ppm。因为高聚物溶液的减阻特性发现的较早，能够得到更为广泛的研究，并归结出了两种类型的聚合物减阻溶液。一种是减阻发生在当溶液所受的壁面剪切力或剪切应力超过一定数值时。另一种则是当流体层流区域扩展时发生减阻，这是由于当溶液中加入聚合物后，流体的湍流状态受到一定的抑制，使得流体的流动稳定性提高，湍流变为层流，层流区扩大，从而出现减阻现象。流动应力对单体分子的伸展度决定了聚合物溶液的减阻效果。发挥减阻效果的最好的结构是呈线性并且无支链的结构。而且减阻效果还会受到所用溶质好坏的影响，同时若溶质中存在化学盐类物质，其分子结构会发生改变，从棒状变为螺旋状，这大大降低了减阻效果。此外，还有一个影响减阻效果的重要因素是聚合物的浓度。通常来讲，浓度在某一值内，随着溶液浓度的增加，溶液的减阻效果也会随之提高；当超过这一值后，减阻效果将会随着浓度的提高而降低。随着对聚合物减阻剂的深入研究，人们发现，当受到来自水泵等的高剪切作用时，聚合物会发生永久性的机械降解，这也是聚合物减阻剂最大的缺点所在，而且性能很好的高聚物减阻剂就越容易发生机械降解。2） 纤维悬浮物纤维悬浮物是通过减小湍流波动的方式来实现减阻的。其浓度越高，就越容易观察到减阻现象的发生。且其减阻效果与纤维的长径比和直径有关，随着长径比的增大或直径的减小，减阻效果会增大，而且加入了纤维悬浮物减阻剂后，其溶液的减阻效果不易受外界因素影响。经过大量的研究发现，由于纤维悬浮物减阻剂不溶于溶液中，可以很容易的实现与溶液的分离，并且抗干扰性很好，性能非常稳定，无机械降解，可推广性强。溶液中加入纤维悬浮物减阻剂后，受到影响的并不是壁面流层，而是对湍流核心区域。正是由于纤维悬浮物减阻剂的优点，其缺点也由此而来，因为其不溶于溶液中，所以当减阻剂的浓度过大时，会堵塞管路，正是这一缺点成为了其在工程应用方面的限制因素。3） 表面活性剂作为减阻剂，可以将表面活性剂分为三类：（1）阴离子型；（2）非离子型表面活性减阻剂；（3）阳离子型。下面将分别对以上三种类型的减阻剂进行探讨。（1）阴离子型表面活性剂Savins6的研究中，当他添加0.2%的油酸钠和氯化钾时，获得了80%的减阻性能。若提高氯化钠的浓度，从3.5%提高到10%，则溶液的减阻性能将会从45%提高到82%。并且还发现，随着电解质浓度的增加，球形胶束会重新变成棒状胶束，最后会形成一个网状结构。Savins还注意到，减阻性能与壁面剪切应力有一定的关系，当超过某一临界剪切应力值后，减阻性能会消失，但是这并不是不可逆的，当剪切应力降低时，减阻性能又会得到恢复。这是由于高剪切应力会破坏胶束结构，且破坏的速度要快于其重组的速度，从而使溶液丧失减阻能力，但其并不会破坏减阻剂本身的分子结构，所以当剪切应力降低时，重组速度大于破坏速度后，减阻剂分子会重组成胶束结构，减阻能力也随之得到了恢复。正是这种特性的发现使得表面活性减阻剂受到了广泛的关注，这对表面活性剂减阻的发展与应用都非常重要。虽然阴离子型表面活性剂存在的破坏可逆的突出优点，但是其会与水中的钙、镁离子等阳离子结合形成沉淀，影响减阻效果的发挥，这一缺点也同样的突出。（2）非离子型表面活性剂非离子型表面活性剂由于其分子不带电荷，故几乎不受水中的钙、镁等离子的影响，这对于它作为减阻剂是一种优势，但是非离子型表面活性剂却有相对应的云点云点：对于非离子型表面活性剂，温度升高到一定程度时，溶解度急剧下降并析出，溶液出现混浊，这一现象称为起云，此温度称为云点。，当温度大于或等于云点时，溶液会分离成两相流，更可惜的是，非离子性表面活性剂溶液的最大减阻温度非常接近溶液的云点对应的温度，这就使得在使用非离子型表面活性剂时，温度受到了很大的限制，这就限制了其在工业领域中的应用。（3） 阳离子型表面活性剂相比于非离子型表面活性剂，因为其温度受到云点的限制，有效范围很窄，从而限制了其作为减阻剂在工业中的应用；而相比于阴离子表面活性剂，由于其分子易与水中的钙、镁等阳离子结合形成沉淀而影响减阻效果，这也限制了其做为减阻剂在工业中的应用。但是，阳性离子表面活性剂则不同，其不仅具有很宽的有效减阻温度范围，而且也不易受钙、镁等阳离子的影响。因此受到越来越多的关注和研究。2.3 减阻的影响因素1）温度对减阻的影响陈拥军和沈自求7的试验研究得出，流速在1. 38m/s 1. 93m/s 的范围内, 溶液的最佳减阻温度为40,在2. 21m/s 2. 76m/s 的范围内, 最佳减阻温度为50,在3. 04m/s 4. 14m/s的范围内, 最佳减阻温度则为60, 这就表明了，随着流速的增加, 溶液的最佳减阻温度也有增加的趋势。2）表面活性剂浓度对减阻的影响表面活性剂浓度对减阻效果有着非常大的影响。正如前文中所提到的，浓度的变化直接影响着溶液内部分子结构的变化，从而直接影响到溶液减阻性能的变化。主要的原因是：添加剂浓度直接影响着溶液在管道内流动的弹性底层的厚度，随着溶液中表面活性剂浓度的增大，溶液的弹性底层越厚，这样减阻溶液的减阻效果就会越好。陈拥军和沈自求7的试验研究中，所用阳离子表面活性剂为工业用1831,主要成分为氯化三甲基十六、十八烷基铵的混合物, 含量为35%( 质量分数) , 表示式为CnTAC( n= 16, 18) , 所用水扬酸钠NaSal 为分析纯。溶剂为自来水。其结果表明, 当CnTAC( n = 16, 18) /NaSal 溶液含量增加时, 减阻效果明显提高,在CnTAC ( n = 16, 18) / NaSal 溶液含量为0. 24% / 0. 24%( 质量分数) , 流速为3. 45m/ s时, 减阻百分率可达到75%。3）流动雷诺数对减阻的影响要想观测到减阻现象，只有当流体处于湍流状态下时，加入表面活性剂溶液后才会发生，而处于层流状态时是不会产生减阻的。这种现象就表明溶液的减阻性能与流动雷诺数之间存在着密不可分的关系。Li等人8的研究结果表明（如图 22所示），对于湍流流态，一定浓度的减阻剂溶液只有在一个有效雷诺数范围内才会发生减阻效应（regime 2&3），因为在此雷诺数范围内，溶液内部能够形成具有减阻功效的网状微观结构；当雷诺数过低时，溶液流动内部则不会形成网状微观结构(regime 1)；当雷诺数过高时，该网状微观结构则会在高剪切应力作用下被破坏从而失去减阻功效(regime 4)。图 22 减阻效果与雷诺数关系由此可以看出：在一定的雷诺数范围内，溶液的减阻率会先随雷诺数增大而增大，在某一雷诺数下减阻效果会达到最好，当超过这一雷诺数时，减阻效果则会随着雷诺数的增大开始不断减小直至消失。4）补偿离子的影响一般来说，溶液在低浓度时，如果没有补偿离子的参与，阳性表面活性剂不可能形成棒状胶束结构，从而影响到减阻效果。因此，加入补偿离子，对阳性表面活性剂溶液的减阻效果的提高是必要的。陈拥军和沈自求7的试验研究中,指出了CnTAC( n= 16,18)与NaSal 不同配比对减阻的影响。图 23 表示CnTAC( n = 16, 18)与NaSal 不同配比条件下减阻溶液摩擦阻力系数与流速u之间的关系。图 23CnTAC( n= 16, 18) 与NaSal 按不同浓度比例复配对摩擦阻系数的影响从图中可以看出,在流速u为0.75m/s3.75m/s范围内, 随CnTAC 与NaSal 配比(21,11,11.5)变化,其摩擦阻力系数较清水的摩擦阻力系数均有所降低,均有减阻效果,当CnTAC ( n=16,18)与NaSal 的质量比为11时,在试验流速范围内, 下降幅度最大,减阻效果最好。5）溶液通道对减阻的影响此外，减阻剂减阻效果还与管道的参数如当量直径、管壁粗糙度等有关。当量管径越小、管壁的粗糙度越大，减阻效果越明显。王剑峰5通过对比管径分别为10和40mm的两组相同浓度和相同温度条件下的实验数据得出，对于相同浓度和相同温度条件下的表面活性剂CTAC水溶液来说，在不同的管径下，其摩擦阻力系数表现出很大的差异，具有很强的管径效应。得到的结果表明：在不同的管径下，具有相同工况的表面活性剂溶液会表现出不同的减阻效果，并且相比于较大管径，小管径下的减阻效果更好。此外，流程中的三通、阀门、变径管、弯头等都会对减阻产生影响。2.4 表面活性剂水溶液减阻机理假说从国内外的文献中可以看出，至今还没有一个理论能完全解释减阻现象。因此，减阻机理还有待于深入研究。下面介绍几种目前为止普遍被人们接受且比较有代表性的理论9。1）剪切稀化假说该机理假说认为，添加表面活性剂后，在流变特性上，其剪切粘度会随剪切速率的提高而减小，从而导致摩擦阻力下降，是减阻的本质原因。但事实上很多剪切稠化的表面活性剂也具有良好的减阻功效，所以该机理假说并不能解释剪切稠化下存在减阻效果这一现象的原因。2）弹性缓冲层减阻假说该机理假说认为，在外流和内流的边界层紧邻粘性底层的缓冲层内，速度梯度较大，表面活性剂的胶束能在缓冲层内形成高次结构并与紊流涡体相互作用，导致缓冲层增厚，使得紊流核的速度增加，从而导致摩擦阻力减小。此假说的不足之处在于，其仅说明了速度分层结构的改变，却未能给出详细的力学模型。3）紊流强度抑制假说该机理假说认为，添加表面活性剂后抑制了绝对紊流强度，尤其是横向脉动强度。这一观点得到了众多实验研究的佐证,其中Feng-Chen Li和Jin-Jia Wei等人10通过使用PIV拍照观测以及实验的方法，发现了加入表面活性剂后能有效的抑制旋涡的发生，降低了紊流强度，为这一假说的观点提供了一定的实验支持。4）解耦假说该机理假说认为，棒状胶束的高次结构与紊流场的互动，使得交叉脉动之间的关联被解，因而雷诺剪切应力减弱，从而导致紊流减阻。但这种假说不能解释交叉脉动之间的关联完全被解，以至于雷诺剪切应力为0，但减阻率并非最大的现象。5）粘弹性假说该机理假说认为，表面活性剂水溶液受剪后呈粘弹流变特性，使高剪切区域的胶束微观结构能够吸收小尺度涡的耗散能量，高剪切状态被解除后能释放给含能的大尺度涡，从而实现减阻。该假说缺乏足够的粘弹性流体的动态流变学实验数据佐证。除此之外，还存在着多种其它的减阻假说，总之是众说纷纭，但都是从某一方面解释减阻现象，只能解释一部分减阻现象，而不能够完全解释减阻机理。在上述的减阻假说中，其中3)和4)更符合大部分实验观察结果。由于减阻率、紊流特性及结构会受到表面活性剂的种类及流道形式的影响，这也是为什么迄今为止仍然没有能够完全解释减阻现象及流动机理的减阻假说的主要原因。2.5 表面活性剂的应用由于表面活性剂具有良好的减阻特性，且容易实施和控制，已经被广泛应用于工业系统中，为工业的生产创造了更大的利润，并且随着对表面活性剂的研究的深入，其应用范围将会不断地扩大。下面则主要介绍表面活性剂在集中供暖系统的应用实例。焦丽芳等人11首次将减阻剂湍流减阻技术引入到我国集中供热系统的实际应用中，并在青岛进行了实验，通过加入减阻剂获得了湍流减阻、增输和节能效果。该试验用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC) 作为减阻剂，水杨酸钠(NaSal) 作为补偿离子，两者的质量浓度比为1:1。试验结果显示：在泵转速不变的情况下，加如减阻剂后系统的增输率最高达11.7%，且减阻增输效果明显，即系统总流量快速上升。假定系统总流量在加剂前后保持不变，泵运行功率(耗电量) 减小最大能达到28.4%。2.6 章节小结本章通过对减阻剂的物理化学特性及其结构、减阻特性及其影响因数、各种减阻机理假说和表面活性剂的实际应用等系统地讲述了长期以来对减阻剂的所取得的研究成果，由此可知人们经过长期的研究，对表面活性剂的认识也在不断地深入，虽然还没能提出一个非常完善的减阻机理理论，但是却给以后的研究者们提供了大量的实验成果，各种假说也将会随着研究的不断深入而得到不断地完善，同时也为本文的研究提供了理论指导。3 实验系统介绍与调试3 实验系统介绍与调试3.1 实验系统简介 图 31所示的是本次实验的实验原理图，它是一个泵叶轮及管道内两相流及非牛顿流体流动性能测试的实验系统，后文均简称“实验系统”，它能够实现实验通道内表面活性剂和两相流的流动特性、传热特性以及流场分布等多种性能测试的综合性实验台。它是由二维表面活性剂减阻测试段、二维流场测试段、二维传热测试段、拉伸流测试段、三维两相流流动性能测试段、泵叶轮内流场测试段和泵叶轮剪切对表面活性剂减阻性能影响测试段这几大主要功能部件组成。图 31 实验系统原理图该实验系统采用敞开式闭路循环，由三个分支回路组成：二维水平测试段、三维水平测试段和二维竖直测试段(因为二维竖直测试段不在本文研究范围内，这里不做介绍)，所有回路均由同一台离心水泵供水，采用变频器并配合阀门来调节流量，并能通过阀门、实现单回路或多回路的循环。本次实验系统主要由以下几个部分组成，图 32为实验系统实物图：（1） 测试段：二维通道和三维通道；（2） 测试仪表：差压变送器、压力变送器、质量流量计、电磁流量计、温控系统等；（3） 循环回路：离心泵、不锈钢水箱、不锈钢圆管、不锈钢弯头、闸阀、附件等。图 32 实验系统实物图3.2 实验系统组件介绍本部分主要是对本次实验的一些组成单元进行介绍，并根据实验过程中遇到的问题提出改进。3.2.1 储水箱储液桶示意图如图 33 (a)，实物图如图 33 (b)。 (a) 储液桶示意图 (b) 储液桶实物图图 33 储液桶示意图和实物图储水箱主要由不锈钢水箱、进口管、挡板、溢流桶、搅拌器、加热器、传感器等部分组成。不锈钢水箱为内高1700 mm、内径1300 mm的圆形水箱，四周等距分布4个宽100 mm，高1000 mm的挡板，挡板距离底部100 mm布置。桶内有两组加热器：33 Kw和26 Kw，第一组配有温控系统，主要由其进行加热，第二组仅是加热器，仅用于开机前协助加热，开机后则要关闭。水泵进水口有一个高50 mm的溢流堰，是为了防止固体沉杂随泵进入回路。另外桶底设有大小排水孔，液位孔等附件。实验中遇到的问题及改进方案或建议：（1）进口管因流速过大会冲起大量气泡，之后进入水泵，是整个实验通道中的气泡过多：在不锈钢储液桶内进口管处设置溢流桶，桶径250 mm、高900 mm，桶底封闭，上开口处采用锥形桶沿，沿高100 mm、宽 50 mm，360度旋转；（2）储液桶由于设计失误，过大：从回路循环需求和操作方便角度考虑，建议储液桶体积满足6倍的回路充水体积即可，根据桶内附件决定桶径和桶高；（3）设计失误，回路水管距离水泵进口过近，气泡容易被吸入水泵：建议以后设计时要拉大距离，或添加溢流装置。3.2.2 二维实验段二维实验段的总装配图如图 34所示，其包括二维测试通道和进出口水箱两部分，二维测试通道总长6240 mm由2段2000 mm、1段1700 mm、进出口箱法兰部分各150 mm、拉伸流段240 mm组成。所用材料均为20 mm厚的有机玻璃，测试段通道尺寸：宽W为375 mm，高H为30 mm，通道宽高比为12.5，远远大于7，满足二维通道的测试需求。图 34 总装配图3.2.3 测压孔与测温孔为了测量流体充分发展段的压降，测压孔应该尽量远离水箱进口。考虑到出口扰动的影响，第2个测压孔距离二维出口250 mm，两个测压孔之间的距离L=1.5 m。正确的开孔方式如图 35中a孔所示，图中b孔的突出开孔方式会产生测量误差。本文实验系统中按图 35中a的方式在20 mm厚有机玻璃壁面上开直径1 mm的测压孔，孔深与直径比达到20，满足测压孔要求。除了压力测量，实验中还需要测定当前测试段通道的温度，因此测温孔开在二维通道1.7 m实验段入口50 mm处的二维通道宽度中心线上，并用热电偶温度传感器进行测温。图 35 静压测压孔3.2.4 仪器仪表选型 本试验台所选用的主要的仪器仪表型号及参数见表 31。表 31 仪器仪表选型及参数仪器仪表参数电磁流量计型号：AXF050G公称通径：50 mm附加代码：-D1AH1S-AD41-21B/CH最大工作压力：4 MPa流量量程：070.68 m3/h速度量程：010 m/s环境温度：-1060 流体温度：-10130 标准精度：流速的0.35%重量：4.4 kg质量流量计型号：(Rotamass)RCCT38过程通径：50 mm附加代码：-AH1M05D4SL1/BG最大工作压力：4 MPa名义量程：32 t/h最大量程：50 t/h名义压损：0.097 MPa最大压损：3.58 MPa环境温度：-4055 流体温度：-50150 内管直径：22.1 mm零点稳定性：1.6 kg/h电源：100264VAC输出：420 mA质量：26 kg差压变送器1型号：CEC3052编号：70615附加代码：CD2A02C1DH0S2B2L7M5/1199DDC53/ARTW30CAA10量程：0-1 kPa精度：0.2%差压变送器2型号：CEC3052编号：71175附加代码：CD3A02C1DH0S2B2L7M5/1199DDC51/ARTW30CAA10量程：0-2 kPa精度：0.2%压力变送器1型号：CEC3052编号：71152附加代码：CG4A02C1DH0S1B1L7M5/1199WDC51/ARTW30CAA10量程：0-0.02 MPa精度：0.2%压力变送器2型号：CEC3052编号：70601附加代码：CG6A02C1DH0S1B1L7M5/1199WDC51/ARTW30CAA10量程：0-0.4 MPa精度：0.2%离心水泵型号：IH80-65-160扬程：32 m流量：50 m3/h转速：2900 r/min功率：7.5 Kw效率：75%水泵用电机型号：Y 132S2-2转速：2900 r/min功率：7.5 Kw频率：50 Hz电流：14.9 A电压：380 V效率：87%功率因数：0.88质量：56 kg水泵变频器型号：BTV60分辨率：0.01 Hz附加代码：4T0055G/0075PC输出：0400Hz环境温度：-1045 输入：380VAC 50Hz质量：8.4 kg搅拌器桨叶数量：4桨叶直径：400 mm搅拌轴长：130150 cm搅拌器变频器型号：SC-021-0.4K-D频率：0.2400 Hz电源：220240 VAC最大输出：0.4 Kw加热器主加热器：33 Kw副加热器：26 Kw下面是主要的几个仪器的介绍：（1）电磁流量计本实验的电磁流量计实物如图 36所示。图 36 电磁流量计这款AXF电磁流量计性能稳定、便于操作，零漂小。每连续使用一个周以上要对其进行一次校准，校准时测量管中要充满水，校准方法参照使用说明书，要严格遵守操作规程，否则会损坏仪表。注意事项：不要轻易进入自己不清楚的设定选项，除非有熟悉此仪器的人员进行指导。如果误进操作选项，不要进行任何操作，可以等待几分钟，仪表会自动取消本次操作。（2）质量流量计本实验所用的质量流量计实物如图 37所示图 37 质量流量计质量流量计的使用以及注意事项均与电磁流量计的要求一致。（3）差压变送器和压力变送器图 38所示为本次实验所用的两个差压变送器1和2的实物图，它们所用的压力变送器均相同。图 38 差压变送器这两个压差变送器的使用遵循使用说明书的操作规程，但是要值得注意的是：不要轻易进入“低点调整”和“高点调整”两个选项，这是生产厂家用来对仪表进行校正用的，在客户使用时是不能轻易改动的，一旦改动，就会使仪表测量不准确，甚至无法测量。同样，误进后等待一段时间，仪表会自动退出，切记不要进行任何操作。（4）变频离心泵本实验所使用的变频离心泵实物图如图 39所示。图 39 变频器和离心泵离心泵通过接在电机上的变频器来调节转速，实现流量调节。注意事项：要不定期的给离心泵补充润滑油，并保证水箱的水位，防止水泵空转；为了使离心泵能够平稳工作，其最小运行频率应保持在19 Hz以上，调节时频率不要改变的太过突然，要平稳的调节。此外，一定要保证水泵到储水箱之间的管路直径大于等于水泵入口口径，否则会造成供水流量不足。3.2.5 PIV测试系统PIV测试系统主要是用来观测和分析二维测试段和泵叶轮内的流场分布情况，其主要部件及参数如表 32所示。表 32 PIV系统主要部件及参数主要部件参数双腔激光器型号：Nd:YAG波长：1064 nm 532 nm脉冲宽度：4 ns最大输出功率：400 MJ频率：1-100 Hz片光厚度：0.5-4 mm光斑发散角：31SpeedSense 9040相机分辨率：(宽)1632(高)1200像素像素尺寸(间距)：11.5 m位深：8/12/14 位/像素EMS 内存： 6 GB80N77同步器总通道数 8输入通道数 2脉冲定位精度 12.5 ns输出信号 TTL 5V时间触发器最大触发频率 80 MHz后处理软件Dynamic Studio 3.1.2示踪粒子材质：聚苯乙烯密度：1.05 g/cm3粒径：15 m本实验所使用的PIV系统包括双脉冲激光、激光光学镜片、CCD相机、时控回路、图像处理计算机和图像处理软件。双脉冲激光由一对Nd-YAG激光组合而成，是一种固体红外激光器，发射波长为1065 nm，为不可见的近红外光，为了方便校准，通过附加的谐波发生器和谐波分离器将其转变成波长为532 nm的绿色可见光，从而方便了实验调节。其原理如图 310所示，在PIV测量中，激光器发射的光会照亮测试平面内的示踪粒子，然后通过同步器连接的CCD相机则会捕捉两次被照亮的示踪粒子，并将其保存为frame1和frame2，然后通过图像处理计算机和图像处理软件将保存的图像处理为速度矢量图，进而可得到各种流场分布规律。测试时，将光片调节到最薄并使光源距离测试平面0.5 m左右，。图 310 双腔激光器原理图3.3 实验系统调试 因为实验平台是刚刚新建完成，在设计和搭建实验平台的过程中，有一些问题并没有考虑的很周到，所以在实验过程中，遇到了这样那样的问题，并在实验过程中进行对实验系统的改进及调试，这也成为了本次实验内容的一个重要的组成部分，下面将对本次实验遇到的问题及调试改进方法做简单的介绍。3.3.1 离心泵调试 在实验过程中，离心泵所遇到的问题及改进如下： （1）在较低频率范围下，离心泵转轴发生振动，并伴有间歇的碰撞声。 经分析得知，这是由于泵都有一个最小流量限定值，一旦流量小于这个限定值，二次流就会导致泵振动，同时泵所受径向力将会增大，致使挠度增大，从而引起泵轴和密封结构的破坏。而在本实验中，该限定值对应的频率为1218 Hz，所以为了保证离心泵能正常平稳的工作，就有用变频器调节其频率在19 Hz以上，并通过阀门和旁通管道来控制流量。（2）离心泵流量不足。在实验过程中，遇到过调节离心泵频率到一定值后，继续调节发现流量几乎不变。后经过分析得知，这是因为离心泵进口管径小于离心泵进口直径所致，改大管径后这一问题得以解决，但是随着频率的增加，在将离心泵调节到最大频率50 Hz时，其流量远没有达到泵的设计流量，经过再次分析，发现是安装在主管路的质量流量计所致。因为质量流量计的压损很大，将其换成光滑圆管后，离心泵就达到了设计的要求。3.3.2 流量计调试 在实验过程中，因为仪表零漂会导致测量的误差，为了保证流量计在使用过程中测量的准确性，本实验使用质量流量计和电磁流量计串联的方式来对比验证流量计测量的准确性。表 33所示的是五次不同流量下两个流量计的数据，可以看出两台测量原理不同的流量计所测流量几乎完全吻合，证实两台流量计均性能可靠。表 33 流量计调试实验组质量流量计(t/h)电磁流量计(t/h)偏差(%)14.564.550.2225.555.550.00311.7611.750.09416.7716.750.12525.9025.840.233.3.3 差压变送器调试 差压变送器主要是用测量测试段的压差，从而求出此压差对应下的摩擦系数。因此，在实验过程中，同流量计一样，使用了两个不同量程范围的差压变送器同时对同一个测试段进行测量，其量程分别为01 kPa（以下称为表1）和02 kPa（以下称为表2），其测压孔分别处于二维通道测试段两侧宽度方向的中心线位置上，孔距均为1.5 m，但是一边是孔径为1 mm的小孔，而另一边则是孔径为6 mm的大孔，测量过程中将表1和表2交替接在这两种孔径下，然后通过在不同孔径下的测量结果进行对比。图 311所示为表1和表2分别在不同孔径下的四组实验数据，图 311(a)为表1的数据，图 311(b)为表2的数据，从图中可以看出，同一块仪表四次测量结果的变化趋势基本一致，表明了表1和表2性能稳定。而雷诺数越大偏差越大，是由于实验通道膨胀引起，这在后文将会讨论。对于同一仪表，四条曲线均不重合，总体上接在小孔上测量得到的数据更接近理论曲线。对比图 311(a)和图 311(b)可以看出表2的测量结果要略微大于表1。 （a）表1 （b）表2图 311表1和表2在不同孔径下的测量结果3.3.4 二维通道调试在进行实验的过程中，遇到的主要问题是在调试阶段，测量的数据总是比理论值要小，而且随着雷诺数的增大，其偏差就越大。后经过不断调试和分析得知，造成偏差的原因有两个：（1）垫片突出挡住了部分通道；（2）通道膨胀，这是主要的原因。下面将分别对这两个原因进行改进。（1） 垫片突出 解决此问题的改进方法是将将二维通道出口箱箱盖接起，并将突出的垫片割掉。处理前后法兰连接处的平整程度如图 312所示。图 312 通道平整化处理经过改进后，再进行两组实验：第五组和第六组，测量数据如图 313所示。从图 313中可以看出，无论小孔还是大孔，表1和表2所测得的Re-Cf曲线均重合。综合以上分析及3.3.3中的实验结果，可以得出，垫片的突出对测压孔的影响很大，其会导致所测压差的扰动，且孔径越大，扰动的影响越严重。图 313 通道平整化处理后结果 （2） 通道膨胀经实验发现，由于实验平台测试通道的宽度比较大，在实验过程中，由于通道内压的影响，会使得通道膨胀，因此要解决这一问题，本实验通过两个方式来改进：一是增大出口管径，使得在大流量下出水阻力减小；二是通过加工不锈钢硬夹子，对通道进行夹紧，限制通道膨胀。经过改进后，又做了两组实验：第七组和第八组，实验数据如 图 314所示。从图中可以看出，通道问题已经得到了解决，至于初始阶段测量的数据较理论值稍大，主要是由于雷诺数较小时，由于夹子的原因，使得通道被略微夹小了，但是随着雷诺数的增大，通道膨胀越厉害，从而逐渐抵消了夹子的夹小量，实验与理论值之间的偏差也逐渐减小。 图 314 二维系统水的Re-Cf曲线确定3.3.5 PIV系统调试粒子成像测速仪(PIV是一种瞬态全场速度分布测量手段，本实验系统则是应用这种手段对二维减阻测试段进行测试。本实验用水作为工质对PIV系统进行调试，检验设备的可靠性， PIV测试系统示意图如图 315所示。图 315 PIV测试系统示意图（1） 示踪粒子示踪粒子是用来跟踪流场，散射光线以提供照相机足够的光线进行拍照的。其大小会影响散射光线的多少，过小的示踪粒子不能够散射出足够的光线供相机侦测。因此，示踪粒子的大小的选取是在保证跟踪性的同时还要具有良好的散射性，示踪粒子的密度也要尽可能接近所测流体密度。总之，理想的示踪粒子应具有良好的跟随性、散射性、无磨损、无毒、性质稳定、容易获得等特征。根据PIV测试的需要，测试过程中，要控制示踪粒子密度为每个网格内有48个粒子，并且通过调节相机的曝光频率使粒子在每两帧图像之间的时间间隔内向前运动1/41/2网格。（2） 尺寸标定图 316为PIV测试中相机拍摄的一帧完整图像。正如前文所提到的，随着流速的增大，通道会发生膨胀，这是不可避免的，因此一般是在流体静止，通道受力最小时进行标定，此时其尺寸具有一个对应的放大系数，在之后的实验标定时只需要输入此系数便可。根据实验拍摄的图片统计，在流体静止时，通道宽度约为776 pix。图 316 PIV拍摄单帧完整图像（3） 采样拍照PIV测量中，捕捉间隔时间t内会有两次激光脉冲，而相机则会在同步器的作用