界面活性剂减阻溶液在自由面旋转流中的流动_图文

1、第 40卷 第 3期 2006年 3月 西 安 交 通 大 学 学 报J OU RNAL O F XI AN J IAO TON G U N IV ERSIT YVol. 40 3 Mar. 2006界面活性剂减阻溶液在自由面旋转流中的 流动特性研究魏进家 1, 川口靖夫 2(1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 , 710049, 西安 ;2. 东京理科大学机械工程系 , 2788510, 日本千叶县 摘要 :铵界面活性剂溶液的旋转流动进行了实验研究 . ×10-51×10-3, 雷诺数为 413×104.和减阻之间的对应关系 , , 同时 . 实验发

2、现对于水的自由 面旋转流而言 , , 由离心力引起的惯 ; 对于质量分数 为 1×10-3, , 惯性驱动涡被挤 .关键词 :; 界面活性剂 ; 减阻 ; 粒子成像测速仪中图分类号 :TQ316 文献标识码 :A 文章编号 :0253987X (2006 03031504Study of F ree Surface Sw irling F low of a Drag 2R educing Surfactant SolutionWei Jinjia 1, Yasuo Kawaguchi 2(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Po

3、wer Engineering , Xi an Jiaotong University , Xi an 710049, China ; 2. Depart ment of Mechanical Engineering , Tokyo University of Science , Chiba 2788510, J apan Abstract :Swirling flows of dilute cetyltrimet hyl ammonium chloride (C TAC surfactant solu 2 tions in an open cylindrical container wit

4、h a rotating disc at t he bottom were experimentally inves 2 tigated by a double 2p ulsed particle image velocimet ry (PIV system. The mass f raction of CTAC solutions ranges wit hin 5×10-51×10-3, and t he Reynolds number reaches to 413×104. The re 2 lationship of t he dip of t he fre

5、e surface center of t he swirling flow wit h t he surfactant mass frac 2 tion and drag 2reduction is revealed , which p rovides a met hod for screening a dilute surfactant so 2 lution wit h small elasticity and drag 2reducing ability. The effect s of t he small elasticity of t he sur 2 factant solut

6、ion on flow vortex st ruct ures are also discussed. It is found t hat t he flow pattern in t he meridional plane for water wit h t he presented high Reynolds number differs remarkably from t hat wit h low Reynolds numbers , and an inertia 2driven vortex is p ushed to t he corner between t he free su

7、rface and t he cylindrical wall by a counter 2rotating breakdown vortex. In t he surfactant so 2 lution flow wit h mass fraction of 1×10-3, t he inertia 2driven vortex locates at t he corner between t he bottom and t he cylindrical wall while elasticity 2driven reverse vortex governs t he flow

8、field.K eyw ords :free surface swirling flow ; surfactant ; drag reduction ; particle image velocimet ry收稿日期 :20050919. 作者简介 :魏进家 (1971 , 男 , 教授 . 基金项目 :日本新能源产业技术综合研究与开发机构 (N EDO 资助项目 (2002EF001 . 一些界面活性剂溶液具有降低流体湍流流动阻 力的作用 14. 在流体输送管道内加入界面活性剂 , 运输泵的动力消耗将会大幅度降低 . 低质量分数 (3×10-51×10-4 的十六烷基三甲

9、基氯化铵界面 活性剂溶液 (C TAC 已被发现可降低湍流阻力达 70%80%3,5. 通常认为界面活性剂的湍流减阻 现象是由其黏弹性所决定的 , 故对黏弹性的测量可 以判别该溶液是否为减阻界面活性剂溶液 , 但流变 特性测量表明 , 对于低浓度界面活性剂溶液 , 其弹性 非常小以至于利用商用流变仪如 A RES 等无法测 出其第一正应力和弹性模量 . 因此 , 我们目前面临的 问题就是如何判别小黏弹性的界面活性剂是否具有 减阻特性 . Siginer 提出了一种利用自由面旋转流的 自由面形状来获取黏弹性流体本构方程信息的思 想 6. 本文 借 用 这 一 思 想 , 利 用 粒 子 成 像

10、测 速 仪 (PIV 对界面活性剂减阻溶液 C TAC流中的流动特性进行实验研究 , 找出 法 .1 实验装置及测量实验装置如图 1所示 . 装有测试流体的半径 R w 为 35mm 的玻璃圆筒浸在边长为 130mm 的立方 形透明水槽内 , 水槽内的水是为了控制圆筒内工作 流体温度和防止由圆筒曲面引起的 PIV 测量系统 激光光路的变形 , 一个内径为 65mm 、 厚度为 815 mm 的旋转圆盘放置于圆筒容器底部 . 水槽固定在 数字式加热搅拌器上 , 槽内水温由加热搅拌器的加 热功能控制 , 水温和溶液温度控制在 25 . 旋转圆 盘中心嵌入一内径为 8mm 、 长度为 55mm 的磁

11、棒 , 圆盘转速由加热搅拌器的磁力搅拌功能控制 , 转速 控制在 350r/min. 整个实验装置中 , 圆柱容器 、 旋转 圆盘和加热搅拌器的中心严格保持在一条垂线上 . 加热搅拌器放置于可移动平台上 , 移动平台的移动 精度为 011mm.测试流体为水和 CTAC. 为了使界面活性剂溶 液内引起减阻的网状结构变得更加稳定 , 溶液中加 入了等质量分数的水杨酸钠 NaSal. 本文中界面活 性剂溶液的质量分数 w 是指界面活性剂 C TAC 的 质量分数 , 共测试了 w 为 5×10-5、 2×10-4和 1×10-3的 3种溶液 . 测试流体在圆筒玻璃容器内

12、的装 填高度与容器半径相同 .图 1 实验装置图利用 PIV. 该 PIV7, .溶液的剪切黏度由 ARES 流变仪进行了测量 . 雷诺数和弹性数的表达式为Re 0=R 2d /0(1 Re =R 2d /(2 E =G /R 2d (3 式中 :0为零剪切时的黏度 ; G 是 G iesekus 模型的 松弛时间 ; 为流体密度 ; 为流体旋转角速度 ; R d 为旋转圆盘半径 . 剪切黏度 是剪切率的函数 . 本 研究中所用的 C TAC 溶液由于其弹性特别小 , 使用 ARES 等商用流变仪无法测出其第一正应力和弹性 模量 , 但其剪切黏度可精确测出 . 为了估计这 3种溶 液的弹性 ,

13、 将测得的剪切黏度数据用 G iesekus 模型 和最小二乘法进行拟合 , 从而得到其松弛时间 8. 表 1列出了水和这 3种溶液的 Re 0、 Re 和 E 值 . 从表 中可看出 , 对于不同的界面活性剂溶液 , Re 并不相 同 . 这是由于不同浓度的界面活性剂溶液的黏度不 同所造成的 , 如果以溶剂水的黏度计算的话 , 各溶液 的 Re 是相同的 , 均为 413×104. 由于本文主要考虑 在水中加入界面活性剂对自由面旋转流动和中心下 降深度所产生的影响 , 因此在相同的水流动 Re 的 基础上进行比较 , 以更清楚地反映不同界面活性剂 加入量对某一流动状况的影响 . 以

14、往研究者采用较 低的水流动 Re (小于 3000 , 流动往往处于层流状 态 , 从而不能模拟引起减阻的湍流流动情况 . 本文采 用高 Re , 以得到相同高 Re 下自由面旋转流流动特 性 、 自由面变化与管道内减阻的关系 .Fro ude 数定义为613西 安 交 通 大 学 学 报 第 40卷 Fr =2R 2d /g H (4 式中 :g 为重力加速度 ; H 为液体高度 . 在本实验中 , Froude 数为较大的值 4180, 从而可使旋转流的自由 面产生很大的变形以利于考察界面活性剂的影响 . 表 1 水和 3种溶液的 Re 0、 Re 和 E 值水CTACw -5w -4w

15、-3Re 0413×104317×104312×103816×102 Re 413×104319×104319×103118×103 E 02810-52010-31010-23 实验结果及讨论图 2a 2d 分别显示了水和 3种质量分数的界 面活性剂溶液在轴对称中央面内的二次流速度矢量 图 . 这里二次流指的是与旋转主流方向 (圆周方向 垂直的平面内的流动 . 图 2d到图 2a 2c 中速度矢量尺寸的 3究的高 Re 下 , , 1000对 PIV . 对 100对 PIV的 , . 众 所周知 , 对于低 R

16、e 的牛顿流体旋转流 , 惯性驱动涡 在轴对称中央面内占主导地位 , 离心力促使流体沿 容器底部旋转圆盘的径向向外流动到圆柱壁面 , 然 后折向上沿着圆柱壁面流动 , 在自由表面处又向轴 心处流动 , 最后沿轴线向下返回旋转圆盘 , 完成一个 循环 . 但是 , 对于目前研究的高 Re 下的水流来说 , 其二次流流型与低 Re 情况完全不同 , 由离心力引 起的惯性驱动涡 (实线圆表示 被一个反方向旋转涡 (虚线圆表示 推挤到自由面与容器圆柱壁面之间的 角落内 . 这是由于由涡分裂现象引起了反向旋转涡 的出现 . 根据 Spohn 等对底部带有旋转圆盘的开口 圆柱容器内旋转流的涡分裂现象的观察

17、表明 , 分裂 涡的尺寸随着 Re 的增加而增大 , 不存在分裂涡消 失的临界上限 Re 9. 这不同于在闭式圆柱容器旋转 流中观察到的分裂涡在临界 Re 之上时就消失的现 象 . 因此 , 本实验中观察到的反向旋转涡是一个分裂 涡 . 对于质量分数为 5×10-5的 C TAC 溶液 , 如图 2b 所示 , 反方向旋转涡的尺寸减小 , 惯性驱动涡的 尺寸增大但强度与水相比有所减小 . 惯性驱动涡尺 寸的增大可能是由于自由面变形的减小所引起的 . 随着溶液质量分数增加到 2×10-4, 如图 2c 所示 , 由于弹性力和惯性力之间的竞争增强 , 反向涡已经 消失 , 从而

18、惯性驱动涡尺寸和强度均进一步减小 . 因 此 , 惯性涡的尺寸随着浓度的增大先增大再减小 , 而 强度一直减小 . 对于质量分数为 1×10-3的 C TAC 溶液来说 , 惯性驱动涡位于旋转圆盘和圆柱壁面的 夹角部位 , 而弹性驱动涡 (点划线圆表示 在流场中 占主导地位 . 但是 , 涡的强度与水情况下相比大大降 低 , 这与闭式旋转流不同 . 对于闭式旋转流在低 Re 和小弹性数时 , 二次流呈牛顿流体特征 , 即惯性驱动 涡占主导地位 .图 3显示了水和界面活性剂溶液旋转流的自由 面形状 . 自由面形状是对 1000幅 PIV 图像所读取 的数据进行平均所得 , 且随界面 .

19、 在本实验中 , 虽 ,. 这种自由面旋转流中自测量以进行界面活性剂溶液减阻能力的判断 . 一个 临界 h 值可用于判断引起减阻的黏弹性阀值 , 从而 克服小黏弹性情况下利用流变仪测量无法识别界面 活性剂有否减阻能力的困难 . 为了验证这一思想 , 实 验测量了另外 3种低质量分数 (215×10-5、 3×10-5和 4×10-5 的 C TAC 界面活性剂溶液旋转流的自 由面中心下陷深度 h. 图 4显示了 h H -1随溶液 质量分数的变化关系 , 同时也显示了 Re 为 413×104时二维通道内 C TAC 界面活性剂溶液的减阻值 与溶液质量分

20、数的关系 . 界面活性剂溶液的 h H -1值和减阻值 在 w 3×10-5时与水的情况下 没有区别 . w 在临界值 4×10-5时 , h H -1值突然 下降 , 值突然从 0上升到 60%. 这是因为溶液黏弹 性随着质量分数的增加而增加 , 因此质量分数为 4×10-5的溶液所对应的黏弹性应为在 Re =413×104时发生减阻现象的阀值 , 这一弹性值可间接地通 过自由面中心处的下降深度来表示 . 表 2给出了不 同质量分数的界面活性剂溶液的零剪切黏度 0. 可 以看出 , 0随着溶液质量分数的增加而增大 , 然而 在 w =4×10

21、-5处并没有发现溶液黏度的突变 . 因 此 , 可以认为图 4所示的自由面形状的突变不是由 于黏度变化引起的 , 而是由溶液弹性的变化引起的 . 第 3期 魏进家 , 等 : 界面活性剂减阻溶液在自由面旋转流中的流动特性研究 (a 水 ( b CTAC (w =5-5 (c CTAC (w =2×10-4 (d CTAC (w =1×10-3图 2 轴对称中央面内二次流速度矢量图图 3 自由面形状 4 结 论(1 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由涡分裂引起的反方 向旋转涡推挤到自由面与圆柱

22、壁面之间的角落内 , 对于质量分数为 1×10-3的界面活性剂溶液而言 , 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圆柱 壁面之 间的 角图 4 h 和 与 w 的关系落内 .(2 溶液弹性能降低自由面旋转流二次流涡的强度 .(3 旋转引起流体自由面在中心产生下陷 , 且下陷深度 h 随界面活性剂溶液质量分数的增加而降低 . 在临界值 w =4×10-5时 , h 值突然下降和 值 突然上升 , 表明引起减阻发生的临界弹性值可间接 地通过自由面中心处的下降深度来表示 .(下转第 352页 813西 安 交 通 大 学 学 报 第 40卷 便

23、于工作流的组织和推理 , 易于实现工作流信息模 型的计算机编程 . 由于多色集合理论除了可以自动 求取所有可能的路径并可一一列举出来之外 , 还可 将图形化的节点路径连接方式转换为易编程的逻辑 化的表示方式 , 因此逻辑关系比较明确 . 特别是应用 于复杂的工作流系统中 , 它不会因节点繁多所造成 的逻辑紊乱而导致出现逻辑关系的连接错误 , 因此 便于用户管理和拓展 .4 结 论本文采用多色集合理论对工作流进行建模 , 与 其他方法 (如 Pet ri 网 、 有向图等 相比 , 克服了有向 图模型比较简单 、 不能处理复杂的过程逻辑 、 缺乏 柔性和 Pet ri 网难以逻辑化的缺点 . 本

24、文所述理论 除了可以更直观明确地表示各个节点之间的逻辑连 接关系之外 , 还具有更突出的特点 : 算法简单 , 于编程实现 ; 性 ,统 , .参考文献 :1 范玉顺 , 吴 澄 . 工作流管理技术研究与产品现状及发展趋势 J.计算机集成制造系统 CIMS , 2000,6 (1 :17.2 罗海滨 , 范玉顺 , 吴 澄 . 工作流技术综述 J.软件学 报 , 2000,11(7 :899907.3 唐永刚 , 李宗斌 , 李善仓 . 基于多色集合理论的概念 设计形式化解决方法 J.西安交通大学学报 , 2004, 38(1 :6872.4 Pavlov V V. Polychromatic

25、 sets and graphs for CAL S in machine building M .Moscow :Stankin Press , 2002. 2035.5 Li Z B ,Xu L D . Polychromatic sets and its application in simulating complex objects and systems J.Com 2 puters &Operations Research , , 30(6 :851860.6陈 琨 .D:西安交通大学机械工程 , . 基于流程图及过程代数的流程表达 方法 J.管理科学学报 , 2002,

26、 5(3 :6771.8 隋 杰 , 于 华 , 焦建彬 , 等 . 基于工作流的模具敏捷 制造过 程 的 Petri 网 建 模 J .计 算 机 集 成 制 造 系 统 CIMS ,2001,7(8 :3740.(编辑 管咏梅 (上接第 318页 参考文献 :1 Li P W , Kawaguchi Y , Yabe A. Transitional heat transfer and turbulent characteristics of drag 2reducing flow through a contracted channel J.Journal of En 2 hanced H

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