马宁硕士答辩

表面活性剂溶液流变性能和湍流减阻的实验研究,硕士学位论文答辩,2012-06-03,答辩人：马宁指导老师：魏进家教授,化工过程机械,目录,1.绪论,3.表面活性剂溶液流变特性实验研究,6.结论,2.实验系统设计与调试,4.表面活性剂溶液湍流减阻实验研究,5.表面活性剂湍流减阻Hoyt尺度放大方法研究,减阻节能必要性,管输耗能占80%,流体阻力超过50%,空调系统、材料输运,添加剂减阻,研究背景,湍流减阻机理与应用,微观上通过流变测量，宏观上通过减阻现象分析可能的湍流减阻机理。,机理探讨,为预估紊流入口距离提供指导；优化湍流减阻计划；评估工业管路的减阻效果。,应用指导,研究出发点,实验系统的设计与调试,表面活性剂溶液湍流减阻研究,表面活性剂溶液湍流减阻研究,Hoyt尺度放大方法研究,应用指导,机理探讨,研究内容,目录,1.绪论,3.表面活性剂流变特性实验研究,6.结论,2.实验系统设计与调试,4.表面活性剂湍流减阻实验研究,5.表面活性剂Hoyt尺度放大方法研究,实验系统示意图,实验系统实物图,仪表和实验段校核,二维通道校核结果,PIV测试系统校核,目录,1.绪论,3.表面活性剂溶液流变特性实验研究,6.结论,2.实验系统设计与调试,4.表面活性剂溶液湍流减阻实验研究,5.表面活性剂Hoyt尺度放大方法研究,AR1500ex,测量仪器,稀溶液的瞬态行为,表观黏度,取决于,各向异性转变,胶束交联,剪切时间影响较小,剪切速率影响较大,稀溶液的瞬态行为,稀溶液的瞬态行为,稀溶液,浓溶液,稀溶液的时间特性,稀溶液的时间特性,浓溶液的瞬态行为,稳态行为,稀化机理1,稀化机理2,稠化机理,正反馈,各浓度稳态流变曲线,稳态行为,能量机理,SIS形成和破坏所需能量均与浓度成正相关,剪切诱导转变需能量多少本质上由胶束结构大小决定,流变方程,对数关系式,目录,1.绪论,3.表面活性剂溶液流变特性实验研究,6.结论,2.实验系统设计与调试,4.表面活性剂溶液湍流减阻实验研究,5.表面活性剂Hoyt尺度放大方法研究,30ppmCTAC/NaSal表面活性剂减阻性能曲线,临界雷诺数,湍流减阻性能,30ppm,35ppm,40ppm,75ppm,Tc25/20,Tc45000,临界雷诺数,20,25,30,(30mmx375mm)不同温度下30ppm200ppmCTAC/NaSal减阻率随雷诺数变化关系,最大无关减阻率,75ppm,100ppm,200ppm,500ppm,(10mmx125mm)不同浓度下1550CTAC/NaSal减阻率随雷诺数变化关系,黏弹性,最大无关减阻率,(40mmx500mm)30、70ppmCTAC/NaSal减阻率随雷诺数变化关系,最大无关减阻率,目录,1.绪论,3.表面活性剂流变特性实验研究,6.结论,2.实验系统设计与调试,4.表面活性剂湍流减阻实验研究,5.表面活性剂Hoyt尺度放大方法研究,(b)75ppmCTAC/NaSal表面活性剂,管径效应,(a)SeparanAP-273聚合物,同温度下尺寸放大,90ppm,同温度下尺寸放大,同温度下尺寸放大,不同温度下尺寸放大,不同温度下尺寸放大,目录,1.绪论,3.表面活性剂流变特性实验研究,6.结论,2.实验系统设计与调试,4.表面活性剂湍流减阻实验研究,5.表面活性剂Hoyt尺度放大方法研究,1)实验系统可以连续平稳运行，流量最高可达60t/h，满足设计预期。实验系统可靠性满足实验需求;,2）表面活性剂流变特性的复杂性主要由三个因素决定：内部胶束结构的形成和破坏、受剪切作用的各向异性转变、黏弹性。其中第一个因素是导致表面活性剂溶液流变特性的本质因素；而第二个因素属于外部因素，受测量夹具等因素制约；第三个因素仅存在中等浓度表面活性剂溶液中，主要影响流变测量的启动阶段;,3）对于中等浓度表面活性剂溶液，剪切诱导结构不再是其发生湍流减阻的必要条件，但可以将有效的减阻范围扩大。达到临界饱和浓度的表面活性剂溶液，自组织结构已经足够大，不再发生剪切增稠转变;,结论,4）对于表面活性剂稀溶液如70ppm200ppm，其剪切诱导时间TI和平衡时间TP均是剪切速率的幂函数，且幂指数均为-1.0。对于中等浓度的表面活性剂溶液如500ppm、700ppm、1000ppm，其()流变曲线在c前后两部分区域均符合对数模型；,5）湍流最大减阻率仅仅与表面活性剂和反离子盐种类、配比有关，而与浓度、温度、管径均无关，称这种现象为最大无关减阻率现象；,6）通过对Hoyt尺度放大方法的研究，发现其对CTAC/NaSal表面活性剂水溶液有较好的放大效果。该放大方法具有一个高精确度的适用范围：就是小管径的实验数据如果是在完全减阻区获得的，放大效果就会很好。否则放大误差会比较大。总体而言，该方法对摩擦系数的尺度放大较为准确，对雷诺数的放大会因放大条件不同有一定的偏差。在将放大所得曲线用于工业指导时，小雷诺数范围的摩擦系数可信度更高。,结论,感谢各位评委老师对硕士论文毕业答辩顺利完成的辛勤付出！,致谢,感谢魏老师三年来的悉心教导！,王老师问题1：本文表面活性剂溶液的流变特性为静态条件下测得，在动态条件下应用时应注意那些问题？,回答1：表面活性剂溶液处于静态时能够自组织形成胶束。流变特性实验采用双圆筒夹具，内侧和外侧圆筒静止不动，中间圆筒转动，研究表面活性剂溶液在剪切应作用下的触变性、震凝性和黏弹性。表面活性剂溶液的流变特性不仅与药品种类、浓度、温度、剪切应力等因素有关，还与夹具有关。对于管内流动的表面活性剂溶液，所受的应力包括切应力和雷诺应力，且应力水平要高的多。因此流变研究所得结论主要为分析表面活性剂溶液湍流减阻机理提供帮助，在实验方面提供定性指导。,回答问题,回答2：对于宽高比大于7的二维通道，其宽度中心处受二次流的影响可以忽略，具有和光滑圆管相同的边界层。实验中，二维通道在压差测量和PIV测量的操作性和准确性都比圆管优秀；数值模拟中二维模型可以采用笛卡尔坐标，相比三维圆管的极坐标计算方便。因此在湍流减阻测试中采用二维有机玻璃管。,摩擦系数计算采用二维通道的当量直径De：完全可以应用到圆管中；,雷诺数计算采用通道高度H，为了和Dean经验公式对比。H=0.54De,雷诺数上的系数差并不影响摩擦系数和减阻率。,王老师问题2：本文表面活性剂溶液减阻特性测试实验段为二维结构，但工业上应用的管路多为圆管，试分析结论的普适性。,回答问题,高老师问题3：请尝试解释论文4.3.2节中最大无关减阻率出现的物理机理,回答3：对于一定种类和配比的表面活性剂溶液，在管内湍流流动时，溶液内部的胶束结构和数量随所处的管径、雷诺数、温度等因素发生变化，这导致胶束对湍流脉动的抑制能力发生变化。但对于任何能够发生湍流减阻的浓度，其在合适的温度和雷诺数条件下，都能够最大限度的抑制湍流脉动，这一方面因为表面活性