添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述

第38卷第3期力.學(xué)進(jìn)展Vol.38 No.32008年5月25日ADVANCES IN MECHANICSMay25，2008添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述*焦利芳李鳳臣↑哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與I程學(xué)院，哈爾濱150001摘要添加劑湍流減阻是指在液體的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某種表面活性劑從而使湍流阻力大大降低的現象.從其被發(fā)現至今,經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的研究(實(shí)驗研究、理論分析、數值模擬和實(shí)際系統的應用研究),盡管對這一現象及其實(shí)際應用價(jià)值已有了較為深入的認識,但仍有許多方面尚有欠缺,例如對湍流減阻的機理仍然在探索中.本文歸納評述了高分子聚合物或表面活性劑添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱現象的研究現狀,從湍流減阻劑的特性、減阻劑的湍流減阻機理、湍流減阻發(fā)生時(shí)的換熱機理、減阻流動(dòng)速度場(chǎng)分布和換熱控制等幾個(gè)方面綜述了添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱特性,并綜述了湍流減阻劑在實(shí)際工業(yè)系統中的應用情況,在對添加劑湍流減阻機理、有湍流減阻發(fā)生時(shí)的對流換熱機理等的理解方面進(jìn)行了新的總結.關(guān)鍵詞高分子聚合物， 表面活性劑，湍流減阻,對流換熱,節能1引言湍流減阻的認識日漸豐富,湍流減阻現象在實(shí)際應用方面也取得了一-定的進(jìn)展.本文旨在對添加1948年Tomsl1首次報道了在液體湍流中添.劑湍流減阻的研究現狀做一綜述,主要從湍流減加少量的高分子聚合物會(huì )使湍流阻力大大降低,阻劑的特性、湍流減阻機理、湍流減阻流動(dòng)的換該現象后來(lái)被稱(chēng)為"Toms效應”.在強剪切力、高熱機理等幾個(gè)方面闡述.本文的另一個(gè)目的是對溫等因素作用下，高分子聚合物的柔性分子長(cháng)鏈我國在添加劑湍流減阻領(lǐng)域的研究現狀做一調查,結構被破壞,且破壞后無(wú)法自動(dòng)修復,導致其減阻因此-一些共性的方面主要介紹我國學(xué)者的研究成效果的永久性喪失.20世紀90年代開(kāi)始某些表面果,在減阻劑的實(shí)際應用方面也著(zhù)重介紹了我國活性劑添加劑也被發(fā)現具有減小湍流阻力的作用,的應用研究情況.并且其減阻性能在受到剪切力、溫度等因素影響而暫時(shí)喪失后，待流動(dòng)狀態(tài)恢復到有效減阻參數2減阻劑的特性研究范圍內時(shí)可自動(dòng)、快速恢復.在實(shí)驗室中的直管道理想條件下，對于水的湍流摩擦阻力在加入表面2.1 減阻劑簡(jiǎn)介活性劑減阻劑后最高甚至可降低90%(2],即推動(dòng)相1948年，Toms首次發(fā)現高分子聚合物的湍流同流量的水流動(dòng)只需要原來(lái)泵功率的10%.在實(shí)減阻(drag reduction)現象(1,引起了學(xué)術(shù)界廣泛際應用系統中,因管道比較復雜，如彎管、分支、突注意 1949 年, Mysels注冊了第1個(gè)減阻劑專(zhuān)擴(縮)、換熱器的不規則形狀等的影響,會(huì )使減阻利問(wèn)。20世紀60年代，減阻劑的研究已取得了效果降低,但在合理的流動(dòng)條件下，高分子聚合物很大的進(jìn)展.我國在80年代中期才開(kāi)始減阻劑減或表面活性劑添加劑湍流減阻率-般仍可達50%阻的研究,也取得了一定的效果.左右這-減阻效應無(wú)疑擁有很大的應用潛力,可這里所說(shuō)的減阻劑專(zhuān)指那些只需添加微量即用于降低長(cháng)距離液體輸送系統或液體循環(huán)系統的可使流體的湍流摩阻顯著(zhù)降低的化學(xué)添加劑經(jīng)驅動(dòng)泵功率,達到節能、增輸的效果.過(guò)過(guò)去60多年的研究,已發(fā)現很多有效的減阻劑，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的不懈努力,人們對添加劑可分中國煤化工:些表面活性劑.收稿日期: 2007-07-23,修回H期: 2008-05-15YHCNMHG.●哈爾濱科技創(chuàng )新人才專(zhuān)項基金(2006RFLXS013)資助項目↑E mail: lifch@hit.edu.cn340力學(xué)進(jìn)2008年第38卷其中，高分子聚合物減阻劑可分為油溶性和水溶子型和非離子型3大類(lèi).表1中列舉了幾種常見(jiàn).性?xún)煞N;表面活性劑減阻劑可分為陽(yáng)離子型、陰離的減阻劑表1常見(jiàn)減阻劑舉例序號減阻劑類(lèi)型物理性質(zhì)減阻效果實(shí)例備注聚氧化乙烯水溶性Mn =3x 104水中: c= 10mg/l,其減阻液溫度(PEO)41高聚物~4x 104Re=5x 104,越高減阻性能易老化,易降解.DRmx%≈72%.越差.聚丙烯酰胺M=1x 107,水中: c= 20mg/l, .(PAM)(51高聚物.靜置老化不明顯,Re=2.5x 104,易降解.DR%≈73%.Mn≥9x 107,其減阻液減阻(PAM)6]抗剪切性能差.性能幾乎不受溫度影響.4乙丙共聚物油溶性Mn = 0.734 ~ 6.12x 105,0號柴油中:[m]越大,DR越(EP)7]d=1.39~2.38,易老化,.DR%≈19%大;且DR值與[m] = 1.42 ~ 7.83,易降解.~ 66.8%.碳鏈C3含量有關(guān).辛烯-十無(wú)定型結構,原油: c= 5mg/,在c= 12 mg/1時(shí),四烯閭共聚物.無(wú)結晶峰.D=25.4mm可達最大減阻率DR% = 15% ~ 35%.DRmax% = 50%美國CONOCOMw = 3.85x 10%,柴油: c= 5mg/), .裝運容積小，.公司生產(chǎn)的共聚物Mn = 2.09 x 10%,Re=14x 10*,存儲運輸方便.LP減阻劑間DR% = 33.0%.芬蘭NESTE公Mw =7.08 x 10%,柴油: c= 5mg/L,對比6和7,共司NE減阻劑間均聚物Mn =4.21 x 10,Re= 1.4x 104,聚物比均聚物(辛烯.十二烯)抗剪切性較6號減阻劑差.DR% = 37.1%.抗剪切能力好聚乙丁烯Mn =6.2x 105原油: c= 10.8 mg/,d越大減阻效(PIB)/10|~8.4x 105,V = 2.5m/s,果越好d= 1.4~ 2.38,D=25mm,[n| = 10~ 12,易降解.DR%≈20%.g聚a烯烴叫M=4.1x 10%,最初柴油: c= 10mg/l,生產(chǎn)安全性高，新疆大學(xué)研制分解溫度300°C,DRmax% = 40.1%,成本低，存儲、凝點(diǎn)低于-50°C,FImx% = 32.69%.運輸方便.流動(dòng)性較好、難揮發(fā)1陽(yáng)離子表面表面具有降解.水中: T = 28.59C在表面活性劑活性劑2活性劑可逆性.質(zhì)量分數0.1%/0.1%,溶液中加入C.TAC/NaSal(附加0.1%的NaCl)NaCl溶液可增中國煤化工減阻能力MHCNMHG*表中符號說(shuō)明: Mn數均分子量, M黏均分子量, Mw重均分子量, D流道水力直徑，d分子量分散度, [m]特性黏度，c減阻液濃度, Re流動(dòng)雷諾數, DR%減阻百分率, FI%增輸百分率, v流速第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述3412.2減阻劑的特點(diǎn)間的矛盾.因此，針對某些應用場(chǎng)合人們開(kāi)始了對具有減阻效果的高分子聚合物有以下共同特新型減阻劑的探索.點(diǎn):20世紀90年代,人們又發(fā)現了另一類(lèi)減阻劑:(1)分子結構呈直鏈型.主鏈越長(cháng),支鏈越少，表面活 性劑.將表面活性劑加入水中,在一定的濃減阻效果越好.度、穩定劑和剪切力的作用下，大量小分子會(huì )聚集(2)分子量很大(-般情況下認為分子量應大形成一 種類(lèi)似于高聚物分子長(cháng)鏈結構的棒狀結構,于50000方能減阻).實(shí)驗研究表明同一類(lèi)型的聚進(jìn)而相互交織成網(wǎng)狀，發(fā)揮減阻功效.與高聚物相合物分子量和減阻率的關(guān)系可表示為([.3)比,它最大的優(yōu)點(diǎn)就是具有降解可逆性.即在高剪切力(或高溫)作用下,其棒狀結構會(huì )暫時(shí)被破壞，DR/c= K(M - M)(1)但是待剪切力(或流體溫度)降低后,它又可再次式中: Mc為聚合物剛開(kāi)始產(chǎn)生減阻作用的分子量;形成棒 狀結構,繼續發(fā)揮減阻功效.表面活性劑溶M為聚合物的分子量;DR/c為聚合物單位濃度的液內部形成棒狀微觀(guān)結構有一個(gè)濃度要求,只有減阻率; K為實(shí)驗常數,與減阻劑的類(lèi)別有關(guān).由濃度達到某一閥 值才會(huì )產(chǎn)生棒狀、網(wǎng)狀微觀(guān)結構,(1)式可見(jiàn)，相同類(lèi)型的聚合物分子量對減阻率的從而產(chǎn)生減阻功效.此外它本身的化學(xué)性質(zhì),有可影響呈線(xiàn)性關(guān)系,分子量越大，減阻率越高.能會(huì )對壁面或溶劑存在不利影響.后兩點(diǎn)是它最(3)分子量分布:高分子聚合物都具有一定的大的局限和不利.分子量分布，在一定條件下，高分子的減阻性能近年來(lái)還研制出了能解決減阻共聚物的超高與分子量分布有很大關(guān)系根據分子量分布的不分子量與易降解之間矛盾 的締合性高分子減阻同可以將高分子聚合物分成共聚物和均聚物兩種，劑 [14,便于儲存和運輸的微囊減阻劑等,此不詳研究表明,共聚物比均聚物的抗剪切能力要好,因述此減阻效果也更好些對高聚物減阻劑湍流減阻.3影響減阻劑減阻效果的因素效果與分子量間的關(guān)系一般有兩種解釋,一種認根據以上減阻劑的性質(zhì)可知，減阻劑本身的為減阻與高聚物的平均分子量有關(guān),而另一-種認物理和化學(xué)性質(zhì)(如高聚物分子結構、分子量、分為減阻與高聚物的高分子量部分有關(guān).可見(jiàn)，后一子量的分布情況等)對其減阻效果有明顯影響.除種解釋更為合理.(4)高分子聚合物與溶劑有很好的兼容性,不此之外，還有一些因素決定著(zhù)減阻劑的減阻效果.會(huì )改變溶劑本身的化學(xué)性質(zhì),一般不影響溶劑的具體分析如下:后處理工藝(1)減阻劑添加濃度:最早由Virk提出減阻劑(5)添加極少量的高分子聚合物便有顯著(zhù)的減的添加濃度影響著(zhù)管道內流動(dòng)的彈性底層的厚度,阻效果.如在流動(dòng)雷諾數Re=5x 104時(shí)，在水中.濃度越大，彈性底層越厚,減阻效果越好[5.理論加入1 mg/l的聚氧化乙烯,減阻可達40%左右4.上，當彈性底層達到管道軸心時(shí),減阻效果達到極(6)易降解，抗剪切性能差,受溫度影響大.在限,表現為管輸排量增量最大.湍流流動(dòng)的高剪切力(或高溫)作用下,其分子長(cháng)(2)流動(dòng)雷諾數:添加劑減阻現象只有當流動(dòng)鏈極易斷裂,從而降低甚至喪失減阻能力,這種降處于湍流時(shí)才會(huì )發(fā)生，而且在湍流減阻現象發(fā)生解稱(chēng)為剪切(或溫控)降解.且高聚物的降解是永.后,在一定范圍內減阻率會(huì )隨雷諾數增大而增大.久的不可逆的.研究表明,聚合物在溶液中的降解對于一定濃度的減阻劑溶液流動(dòng)來(lái)說(shuō)，存在一臨速率和聚合物的濃度、分子量及溶劑的性質(zhì)有關(guān).界雷諾數,在該雷諾數下減阻效果最好,再繼續增聚合物的濃度越高,降解速率越高,并且隨著(zhù)溶劑.大流速，減阻效果開(kāi)始不斷減弱直至消失[161.對聚合物溶解能力的變差,降解速率增高;聚合物(3)流動(dòng)通道的影響:一般來(lái)說(shuō),流道當量直的分子量越大，降解速率越大.徑越中國煤化工(即起始雷諾數從以上高聚物減阻劑的性質(zhì)可知，用量小、經(jīng)越小)，CcNMHG粗糙度也對湍濟、對溶劑無(wú)影響的特性是其最大的優(yōu)點(diǎn);然而,流減阻壩象有影響，一般米侃租槌度越大,減阻效易降解、抗剪切性能差、且降解的永久性又是它果越明顯. 此外,流程中的三通、彎頭、閥門(mén)、變徑最大的弊端.經(jīng)過(guò)多年的研究仍未解決這兩者之管都將對減阻產(chǎn)生負面影響.342力學(xué)進(jìn)銀2008年第38卷(4)流體溫度:減阻劑都有其適用溫度范圍,并厚度也增大,當彈性層擴展到管軸時(shí),減阻就達且一般在適用溫度范圍內隨溫度升高減阻效果星到了極限.該假說(shuō)成功地解釋了最大減阻現象,而下降趨勢.超出適用溫度范圍,減阻劑失去減阻功且也可以解釋管徑效應.但按照Virk的假說(shuō),最能,此現象也被用來(lái)進(jìn)行添加劑湍流減阻流動(dòng)控大減阻時(shí)的濃度應與j最大傳熱減小(heat transfer制.reduction)時(shí)的濃度相等,可實(shí)驗結果證明是不等(5)溶劑內雜質(zhì)含量:溶劑中的雜質(zhì)既包括一的 [17.般意義上的可見(jiàn)雜物又包括不可見(jiàn)的離子等水中含有的金屬離子(如鈣、鎂離子等)和金屬氧化陽(yáng)物(如水循環(huán)系統中因生銹而混入的鐵的氧化物)對表面活性劑減阻劑的減阻效果有負面影響.對減阻線(xiàn)油溶性高聚物減阻劑的研究表明其減阻效果還與tt油性溶劑的含水率等有關(guān).3添加劑湍流減阻機理研究黏性底層溶劑線(xiàn)盡管目前對化學(xué)減阻劑已經(jīng)有了相當規模的010102104工業(yè)化應用，并且對影響減阻效果的一-些因素己.y+有了一定的了解，但由于對湍流本身的了解還不.圖1彈性底層模型夠全面，添加劑在湍流中產(chǎn)生減阻的原因至今尚不十分清楚.圍繞減阻機理,曾提出一些假說(shuō)和模3.3 湍流脈動(dòng)抑制說(shuō)型，但沒(méi)有--種理論可以圓滿(mǎn)解釋添加劑湍流減由于高聚物和表面活性劑減阻劑只對流動(dòng)處阻流動(dòng)中所有的實(shí)驗現象,因此，減阻機理還有待于湍流時(shí)才有減阻效果,故有人提出，減阻是由于于深入研究.日前為止已發(fā)表的幾種較有代表性溶液中的減阻劑抑制了湍流旋渦的產(chǎn)生,從而使的理論簡(jiǎn)介如下.脈動(dòng)強度降低，減少了能量損失，最終結果是發(fā)生了湍流減阻現象.針對這-觀(guān)點(diǎn)的正確性,曾有兩3.1偽塑說(shuō)種不同的判斷.到目前為止所有有關(guān)添加劑湍流Toms[1最早提出,聚合物溶液具有偽塑性,剪減阻流動(dòng)的研究結果中,都得到了垂直于壁面方切速率愈大，表觀(guān)黏度越小，溶液通過(guò)管道流動(dòng)時(shí),向上湍流速度脈動(dòng)強度降低的結論,一部分學(xué)者壁面附近剪切速率大,黏度降低,從而使流動(dòng)阻力認為在流向上的湍流強度卻有所加強，這是基于降低.經(jīng)過(guò)后來(lái)大量的實(shí)驗和理論研究表明,聚合比較牛頓流體湍流和減阻湍流中主流向無(wú)因次脈物添加劑湍流減阻機理要復雜得多，目前這種理動(dòng)速度強度而得出的結論(18~2]. 這里的無(wú)因次論已被否定.速度脈動(dòng)強度是通過(guò)除以自身工況下的摩擦速度3.2有效滑移說(shuō)得到的.李風(fēng)臣等在其文章中對此進(jìn)行了分析(23),Virk根據管流速度分布測量的結果提出了彈認為用各自工況下的摩擦速度作為無(wú)岡次參數并性緩沖層的流動(dòng)模式[15. 認為聚合物的加入在管不確切,而應該用各自工況下的平均速度(同時(shí)反壁的層流底層和湍流核心之間生成--彈性緩沖層，映了流動(dòng)雷諾數).用平均流速作無(wú)岡次參數重新此層的速度梯度較大,使湍流核心部分的速度分檢驗前人的研究結果發(fā)現,所有的湍流減阻流動(dòng)布曲線(xiàn)相對于牛頓流體的速度分布曲線(xiàn)向上移動(dòng)中各個(gè)方向上的湍流度都是降低的.因此,湍流脈了一個(gè)距離,即湍流核心部分的速度增大值.將此動(dòng)抑制說(shuō)來(lái)解釋湍流減阻在定性上可認為是正確的，:不只是減弱了湍數值稱(chēng)為”有效滑移"(見(jiàn)圖1所示).由于湍流核心部分速度加大，相同條件下通過(guò)的流量增加，故流腸中國煤化工流的結構(-0.0CNMHG發(fā)生減阻.彈性底層是聚合物分子與流動(dòng)發(fā)生作3.4而流脈切解稱(chēng)假說(shuō)用的區域,也就是發(fā)生減阻的區域.目前很多的研究表明，減阻劑對湍流的作用，根據Virk的假說(shuō),減阻劑濃度增大,彈性層是降 低了軸向脈動(dòng)和徑向脈動(dòng)的相關(guān)性,這種作第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述343用稱(chēng)為“解耦".由于湍流脈動(dòng)的解耦減小了雷諾Bewersdoff等[37]應用冷中子小角度散射測量應力,根據FIK(Fukagata-Iwamot-Kasagi)公式[31])技術(shù),觀(guān)察了一種表面活性劑溶于重水中所成膠可知雷諾應力的減小直接導致湍流流動(dòng)的摩擦囚束的變形特點(diǎn)、發(fā)現溶液靜止時(shí)，膠束呈現橢球子降低,發(fā)生減阻現象.實(shí)際上,雷諾應力的減小是形，橢球的長(cháng)短軸隨機取向,溶液在湍流時(shí),橢球湍流脈動(dòng)解耦和湍流脈動(dòng)抑制兩方面共同作用的長(cháng)軸的取向具有 -定的方向性.該結論也與應力結果(1,23,.2~34.3這一假說(shuō)在定性上也是正確的.各向異性假說(shuō)相符.目前該方向上的研究并未最終定論,與黏彈3.5黏彈說(shuō)具有減阻效果的高聚物溶液和表面活性劑溶說(shuō)究競孰對孰錯仍有待繼續深入研究液一般都表現出黏彈性這種流變學(xué)物性.隨著(zhù)黏3.7渦旋穩定假說(shuō)彈性流體力學(xué)的發(fā)展,有人提出高聚物和表面活在湍流中，流體的流動(dòng)阻力主要是由尺度大性劑減阻劑溶液的減阻作用是由于其黏彈性和湍小隨機、運動(dòng)隨機的旋渦形成的.盡管旋渦的形成流旋渦之間發(fā)生相互作用的結果.位于高應變速是隨機的，但旋渦總是逐漸分解而產(chǎn)生尺度越來(lái)率區的減阻劑溶液內微觀(guān)結構(高聚物分子鏈或越小的旋渦(能量級聯(lián)),直至分解到相對于該流表面活性劑溶液內的網(wǎng)狀結構)可以將載能渦旋動(dòng)雷諾數下的最小尺度渦(Kolmolgorov尺度渦),區中由小尺度渦旋耗散的能量吸收并貯存在伸展旋渦能量最終岡流體的黏性變成熱能而耗散掉.的微觀(guān)結構中.當儲能微觀(guān)結構擴散或對流到低該假說(shuō)指出，減阻劑的存在，將使湍流中的應變速率區后,將松馳至無(wú)規則線(xiàn)團狀，其貯存的能量級聯(lián)發(fā)生極大變化,即當紊動(dòng)流體的雷諾應能量則以彈性切應力波的形式釋放給低波數渦旋力與減阻劑溶液的彈性應力處于同一個(gè)數量級時(shí)，(大尺度渦旋)，大大減小了流體的流動(dòng)動(dòng)能的耗能量傳遞鏈就被“截斷”了,能量耗散無(wú)法達到最散,實(shí)現減阻.終狀態(tài),于是流動(dòng)阻力就卜降了[38~40.減阻劑湍流減阻機理的黏彈性理論是De3.8表面隨機更新假說(shuō)Gennes提出的[35].黏彈性假設不僅能解釋許多對于壁面湍流,其邊界層可分成3層:黏性底具有黏彈性的高分子聚合物和表面活性劑溶液的層、過(guò)渡層和湍流核心區.黏性底層是靠近壁面的減阻現象,而且還能定量計算減阻率,也是從湍流薄層，其中存在間歇性的湍流脈動(dòng).如果把璧面湍物理的角度研究減阻機理、發(fā)展新的湍流減阻流流流動(dòng)的動(dòng)量傳遞邊界層看成是由-塊塊的動(dòng)量動(dòng)的定量分析理論的有力工具.然而Toonder361傳遞塊所組成，那么這些動(dòng)量傳遞塊會(huì )隨機地被的應力各向異性理論的研究使之受到了挑戰.來(lái)自主流的流體微團所更新，分解成新的流體單3.6應力各向異性說(shuō)元而產(chǎn)生旋渦,產(chǎn)生能量級聯(lián)，完成動(dòng)量的傳遞和該假說(shuō)認為，聚合物分子在湍流邊界層中.能量的擴散.受到拉伸而取向，從而引起的應力各向異性是.該模型在湍流隨機理論和Dankwests表面更聚合物減阻的主要原因.為了證實(shí)這種觀(guān)點(diǎn)新理論[4]的基礎上，認為牛頓流體中加入減阻劑Toonder[36]利用激光多背勒測速儀測量了近壁區后,由于減阻劑分子在管壁上形成一-層液膜, 以及的湍流統計量及湍動(dòng)能譜,構建了兩種模型:一減阻劑分子的伸展變形作用，使得管壁上的流體種是粘性應力各向異性模型(viscous anisotropic塊難以被更新,阻礙了旋渦的生成,導致能耗減小model, VA), 另外一種是黏彈各向異性模型(is .而達到減阻作用.coelastic anisotropic model, VEA).通過(guò)直接數值模近年來(lái),李鳳臣等(27,42]2 利用粒子成像測速儀擬(direct numerical simulation, DNS)分析了聚合通過(guò)實(shí)驗研究間接測量了通道內湍流(牛頓流體物結構對近壁區應力張量的影響.計算表明,VA模湍流和表面活性劑溶液湍流減阻流動(dòng))的近壁擬型的計算結果和實(shí)驗數據符合得很好,而引入聚序結構中國煤化，工頃率和強度,并合物彈性岡素的VEA模型的計算結果和實(shí)驗數把間歇CNMHG作是量子化的據出入較大.這樣的研究結果很好地支持了Toon-能量塊，刈廠(chǎng)士而饑厚你阻力且按做出貢獻,得到der“應力各向異性說(shuō)”的觀(guān)點(diǎn),對傳統的“黏彈說(shuō)”了摩擦系數的湍流項與湍流猝發(fā)事件的發(fā)生頻率是一個(gè)挑戰和強度成線(xiàn)性關(guān)系的結論.相比于牛頓流體湍流,344力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷表面活性劑湍流減阻流動(dòng)中的近壁擬序結構的發(fā)為減阻起始點(diǎn)(對應圖2中的Ren處).生頻率和強度大大降低，直接導致摩擦系數的湍流項大大降低,即湍流減阻的發(fā)生.10-1。幣液3.9其他●臧阻液從分子變形的角度, Keyes和Abernathyl43)1分析了渦管在剪切流中的進(jìn)化情況大分子的變形10-2運動(dòng)產(chǎn)生了兩種作用,即阻礙渦管的形成和對已形成的渦管阻礙其發(fā)育.這兩種作用的綜合效應1020310405是降低了高分子稀溶液湍流的猝發(fā)周期,從而導Re致了湍流減阻.圖3減阻起始點(diǎn)4添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱特性研究對應于減阻起始點(diǎn),存在一個(gè)管壁切應力的臨界值T,只有流動(dòng)的壁面剪切應力超過(guò)T",減如上文所說(shuō),具有湍流減阻效果的高聚物或阻效應才顯示出來(lái). T與管徑無(wú)關(guān)，僅與減阻劑表面活性劑溶液-般具有黏彈性這種流變學(xué)物性.類(lèi)別和濃度有關(guān).黏彈性流體由于?？紤]它的黏性與彈性?xún)煞矫娴膽獑㈥?4在實(shí)驗基礎上提出了T與聚合物影響,所以它的流動(dòng)與換熱特性和牛頓流體相比分子量及特性黏度的經(jīng)驗關(guān)系式有很大區別.M[n] x 10-10 = -0.013 + 239(T)-1(2)4.1添加劑湍流減阻特性按照流動(dòng)雷諾數(Re)增大的順序,黏彈性流式中: M為聚合物的平均分子量, g; [n]為聚合物體管道流動(dòng)可以劃分為如下幾個(gè)區域(見(jiàn)圖2所的特性黏度,cm3/g;T:為臨界管壁切應力,Pa.示，圖中f為范寧摩擦系數).Fabula45)以時(shí)間比尺為基準，應用Rouse-Zimm關(guān)于聚合物松弛時(shí)間的理論,推導出以卜關(guān)系式Blasius曲線(xiàn)RT=c(3)減阻溶液摩阻曲線(xiàn)式中:Rg為聚合物分子在靜止溶液中的同轉半徑m|均方根.Poiseuille由以上關(guān)系式可見(jiàn)，聚合物分子量越大(回轉曲線(xiàn).Virk曲線(xiàn)半徑越小,減阻起始所要求的臨界壁面切應力T:值越小，越容易出現減阻.上述關(guān)系式均只適用于聚合物稀溶液,因為RerRer Res在聚合物稀溶液的情況下,同一種聚合物在同一管徑中可以認為溶液濃度對起始點(diǎn)位置的影響不.圖2黏彈性流體管道流動(dòng)特性示意圖大.在聚合物溶液濃度足夠大時(shí),這一結論不再成(1)無(wú)減阻區和減阻起始點(diǎn)研究表明，對于高聚物或表面活性劑減阻劑對于給定的某種聚合物溶液,減阻起始點(diǎn)的溶液流動(dòng)均存在一-個(gè)減阻起始點(diǎn), 在該點(diǎn)之前流Re數與管徑有關(guān).管徑越大， 減阻起始點(diǎn)的Re動(dòng)無(wú)減阻現象出現，該點(diǎn)之前的區域稱(chēng)為無(wú)減阻數越大,這種現象稱(chēng)為管徑效應區,流體流動(dòng)特性與牛頓流體相同.中國煤化工流動(dòng),其湍流減將高聚物稀溶液在管道中流動(dòng)的摩阻曲線(xiàn)與阻現象HCN MH G分子在溶液內部純溶劑的摩阻曲線(xiàn)繪于同一-圖上(圖3),可見(jiàn),開(kāi)形成的棒狀結構、進(jìn)m而網(wǎng)狀做觀(guān)結構,而針對這種始二者重合,從某一Re 數開(kāi)始，溶液的摩阻曲線(xiàn)微觀(guān)結構的生成過(guò)程、結構特征等尚沒(méi)有理論模突然”偏離溶劑縻阻曲線(xiàn).發(fā)生偏離的這一-點(diǎn)稱(chēng)型可以描述,因此表面活性劑溶液流動(dòng)的減阻起第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述345始點(diǎn)、臨界壁面剪切應力等還無(wú)法通過(guò)理論來(lái)估T算,只能針對不同工況由實(shí)驗來(lái)測量.(c/M)1/2 .(5)(2)減阻區II= aN2/3減阻起始后,便進(jìn)入了減阻區,減阻能力隨雷諾數的增大而增大.純溶劑的湍流縻阻曲線(xiàn)在湍式中:T為斜率增量;c為溶液濃度,溶質(zhì)(g)/溶劑流光滑區符合Prandtl-Karman公式(g); M為聚合物分子平均分子量; N為聚合物分子的主鏈節數;a為常數,稱(chēng)為斜率模數,由實(shí)驗得1/√F = 4.0lg(Re√F)-0.4(4)到a=7x 10-7; II為特性斜率增量,它的物理意義是單個(gè)高聚物分子對斜率增量的貢獻.式中f為范寧(Fanning) 摩擦阻力系數.利用以上兩個(gè)關(guān)系式，如已知聚合物分子主該摩阻曲線(xiàn)公式可以直線(xiàn)畫(huà)出,見(jiàn)圖4.高聚鏈節數和平均分子量,就可以預測不同濃度聚合物稀溶液的摩阻曲線(xiàn)在減阻起始點(diǎn)之后，也近似物溶液在減阻起始點(diǎn)以后的摩阻曲線(xiàn)的斜率增量,是一條直線(xiàn),但斜率變陡.溶液縻阻曲線(xiàn)與溶劑摩從而預測一定雷諾數下的減阻率.阻曲線(xiàn)之間的斜率之差稱(chēng)為斜率增量,記為T(mén);T對于表面活性劑減阻劑，尚無(wú)相關(guān)理論來(lái)預標志著(zhù)減阻起始以后聚合物的減阻能力, T越大,測濃度與減阻率間的關(guān)系.減阻效果越好.且T與Re有關(guān),T一定時(shí), Re數(3)衰減區越大，減阻效果越好.添加劑湍流減阻流動(dòng)的減阻率不會(huì )隨著(zhù)雷諾數的增大無(wú)止境地增加,對- -定添加劑濃度總存在一個(gè)減阻最大點(diǎn),當雷諾數超過(guò)該點(diǎn)雷諾數(對應圖2中Re2)以后，減阻進(jìn)入衰減區,該區域的最大特點(diǎn)是,隨著(zhù)雷諾的增大,減阻率急速卜降,最后減阻作用完全消失.(4)減阻失效區20上隨著(zhù)流動(dòng)雷諾數繼續增大,減阻率變?yōu)榱愕狞c(diǎn)稱(chēng)為減阻失效點(diǎn)，減阻失效點(diǎn)之后的區域稱(chēng)為減阻失效區.添加劑湍流減阻流動(dòng)出現如上所述的隨流動(dòng)雷諾數而變化的不同流動(dòng)區域的特點(diǎn),在定性上//是由于減阻劑溶液中導致湍流減阻發(fā)生的內部微觀(guān)結構隨流動(dòng)中剪切率變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程所致.減P-K線(xiàn)阻劑溶液內部的微觀(guān)結構(高聚物減阻劑的大分子或表面活性劑減阻劑小分子形成的棒狀/網(wǎng)狀10K2SO4mg/l結構)在湍流中剪切力的作用下會(huì )發(fā)生同旋、纏0繞、拉伸、變形等運動(dòng),歸根結底正是這些微觀(guān)結50構的運動(dòng)(按照黏彈性理論,拉伸運動(dòng)起主要作用)與湍流渦之間的相互作用改變了原來(lái)的湍流結構104Re√F和強度,使得湍流減阻現象發(fā)生.在剪切力很小時(shí)(流動(dòng)雷諾數較小時(shí)),微觀(guān)結構的拉伸等運動(dòng)不圖4斜率增量和濃度效應足以與湍流之間發(fā)生作用,因此存在一臨界剪切對于給定的某種聚合物溶液,T與管徑無(wú)關(guān),中國煤化工觀(guān)結構的運動(dòng)開(kāi)僅決定于聚合物的濃度, T大致與濃度的平方根始與酒CN M H G用,即湍流減阻成正比,這種現象稱(chēng)為濃度效應.起始點(diǎn)腿有男切刀利增大(譏動(dòng)雷諾數的增大),更深入的研究得出了斜率增量與聚合物濃度微觀(guān)結構的運動(dòng)增強，與湍流之間的相互作用也以及聚合物分子鏈節數之間的關(guān)系式[13)增強,表現為湍流減阻效果增強.隨著(zhù)雷諾數繼續346力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷增大,流動(dòng)內部的剪切力會(huì )使得溶液內部的微觀(guān)性流體流動(dòng)的Re與Re'的關(guān)系來(lái)判別其流態(tài).結構在發(fā)生如上各種運動(dòng)的同時(shí),本身開(kāi)始被局當Re < Re'時(shí),黏彈流流動(dòng)處于層流狀態(tài);部撕裂,原來(lái)的長(cháng)鏈結構被破壞,湍流減阻效果開(kāi)當Re≥Re。時(shí),黏彈流流動(dòng)處于湍流狀態(tài).始減弱.當雷諾數達到一定程度,剪切力使得得以臨界廣義雷諾數Re'e的確定如下[48]產(chǎn)生湍流減阻效果的微觀(guān)結構及其運動(dòng)狀態(tài)全部破壞掉,湍流減阻消失.Rec=二(8)另外,大量實(shí)驗研究表明,對于給定的管道尺寸及流速(或雷諾數),各種高聚物或表面活性劑減其中:入c =2中(n).dlnnZ;n=n'=din(8V/D)i Zc阻劑的減阻率存在一個(gè)最大值減阻達到最大值為穩定性參數,對于冪律流體，Zc=808,n為之后，即使再加大溶液濃度,減阻率也不再增加，此壁面摩擦應力，V_ 為管道流速，D為管道直徑.現象為最大減阻效應.達到最大減阻后的摩阻系.(1+3n\" (_ 1數與雷諾數的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為最大減阻漸近線(xiàn)它中(n)=n(- n) (n+2)與減阻劑種類(lèi)、高聚物分子量、溶液濃度、管徑等因素無(wú)關(guān),是一條普適線(xiàn).對于高聚物添加劑湍流4.2.3黏彈性流體流動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程減阻流動(dòng),Virk等[461提出了著(zhù)名的Virk漸近線(xiàn)1990年，何鐘怡等人[4])與哈佛大學(xué)的Aber-nathy研究小組合作,在黏彈性流速度和能譜測量1/VF = 19.01g(Re√f)-32.4(6)以及湍斑實(shí)驗的基礎上,完善了Virk的非牛頓過(guò)對于表面活性劑添加劑湍流減阻流動(dòng),Zakin渡過(guò)程形式劃分.等[2]提出了不同的最大減阻漸近線(xiàn)圖5為何鐘怡等人(4)在圓管中實(shí)驗的部分實(shí)驗結果.圖上所繪的3條典型阻力曲線(xiàn)為:λ=4f = 1.26Re-0.55(7)(1)L為牛頓層流摩阻曲線(xiàn)式中λ為管道摩擦因子.16λ=R(9)4.2黏彈性流體流動(dòng)的流態(tài)劃分和判別(2)T為水力光滑區牛頓湍流摩阻曲線(xiàn)4.2.1黏彈性流體的流態(tài)與牛頓流相同,黏彈性流體流動(dòng)也存在層流0.3164λ=Re0.23(10)和湍流之分.(1)黏彈性流體的層流狀態(tài)(3)V為高分子稀溶液最大減阻曲線(xiàn)何鐘怡等人提出[47),黏彈性流體的層流狀態(tài)又可劃分為:牛頓型層流和非牛頓型層流.1/vF = 9.51g(Re√f)- 19.0(11)(i)牛頓型層流:與牛頓流的層流狀態(tài)相同.(i)非牛頓型層流: - -種高階有序的波動(dòng)，可0.06 r8●1.5 mg/l以視之為非定常層流運動(dòng),它是由于達到剪切率●8 mg/l閥值后聚合物分子由單純旋轉發(fā)展為旋轉與變形。70 mg/1疊加而形成的.<----- .(2)黏彈性流體的湍流狀態(tài)0.02 tv黏彈性流體的湍流狀態(tài)很復雜，目前還沒(méi)有合適的理論可以對其進(jìn)行準確描述.然而，研究_x10-3發(fā)現，黏彈性流體只有在湍流狀態(tài)下才會(huì )出現減10阻現象,因此對其湍流狀態(tài)的研究將是日后研究Re的一一個(gè)重要領(lǐng)域中國煤化工.過(guò)渡過(guò)程[.H.CNMH G4.2.2黏彈性流流態(tài)的判別這3余出線(xiàn)可以把非十頓流分成4個(gè)區,牛仿照牛頓流劃分層流和湍流的臨界雷諾數,頓層流區(L區)、非牛頓層流區(LV區)、非牛頓對黏彈流定義一個(gè)廣義臨界雷諾數Re'e. 以黏彈湍流區(TV岡)、牛頓湍流區(V區). .第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述347定義由牛頓流型向非牛頓流型過(guò)渡的起始點(diǎn)可以在很大的雷諾數范圍內保持層流形態(tài),在LV為反應點(diǎn),該點(diǎn)對應壁面剪切應力用πo表示.對區內逐漸向曲線(xiàn)V逼近，這就構成了L-LV-V 型非牛頓流,由層流向湍流的轉捩點(diǎn)對應的壁面剪過(guò)渡.切應力用n表示. 1975 年, Viklh給出了的和力4.2.4 臨界廣義雷諾數Re.與減阻起始雷諾數Ren的特性方程之間的關(guān)系Av2p0=胎(12)Re'與Re1之間的相對大小取決于非牛頓過(guò)式中:T為反應點(diǎn)的管壁剪切應力;Rc為聚合物渡過(guò)程的類(lèi)型.非牛頓過(guò)渡過(guò)程的方式不同對應分子的平均回旋直徑; v為溶液運動(dòng)黏性系數; p .的Re'與Rer的大小也不同. T-TV型、L-TV型過(guò)渡情況下，Re。< Re; L-LV-TV型、L-LV-V型為溶液密度; A為實(shí)驗常數. .過(guò)渡情況下，Re。> Re1.8Rexv2p7x=二 D(13)4.3黏彈性流體湍流減阻流動(dòng)速度場(chǎng)特性式中: m為轉捩點(diǎn)的管壁剪切應力; D為圓管直4.3.1高聚物添加劑湍流減阻流動(dòng)速度場(chǎng)定量描述徑;Rek為轉捩臨界雷諾數,與系統的背景湍動(dòng)強由于對高聚物的大分子結構、化學(xué)物理性質(zhì)度有關(guān).等已有相當的研究和把握，日前為止,對于減阻劑由式(13)可知，因為Rek不是一個(gè)常數,隨系湍流減阻流動(dòng)的定量描述幾乎都是針對高分子聚統背景湍動(dòng)強度而變化,所以n也隨著(zhù)系統背景合物添加劑的,而對表面活性劑添加劑減阻流動(dòng)湍動(dòng)強度而變化.的描述還只停留在定性的階段.對高聚物添加劑根據π和n的組合不同,非牛頓過(guò)渡過(guò)程存湍流減阻流動(dòng)時(shí)均結構的研究,目前的方法可分在4種方式:為兩種:實(shí)驗統計分析方法和半經(jīng)驗半理論法.(1) T-TV型過(guò)渡4.3.1.1實(shí)驗統計分析法當背景湍動(dòng)較強時(shí),若n< ro,先發(fā)生牛頓型通過(guò)對實(shí)驗數據的統計分析和近似處理,得層流向湍流的過(guò)渡,因為在壁面切應力(用T表示)到一些經(jīng)驗公式.例如: Seyer和Metzner[50|用兩低于πo時(shí),溶液流動(dòng)呈牛頓型.當r達到σo,開(kāi)始個(gè)公式分段表述時(shí)均流速分布規律:產(chǎn)生非牛頓效應,發(fā)生非牛頓過(guò)渡,反應點(diǎn)在T曲靠近壁面附近用層流線(xiàn)線(xiàn)上，由T進(jìn)入TV區,因此稱(chēng)為T(mén)-TV型過(guò)渡.U_ U*y(2) L-TV型過(guò)渡(14)v當背景湍動(dòng)較低時(shí),若n > To,先發(fā)生牛頓流式中石為時(shí)均速度, u,為摩擦速度, y為距壁面距向非牛頓流的過(guò)渡,反應點(diǎn)位于L曲線(xiàn)上.在向湍流過(guò)渡時(shí)，若減阻劑濃度很低,因阻力增大使T達離,v為運動(dòng)黏滯系數.到或超過(guò)了To, 這時(shí)反應點(diǎn)由L直接躍入TV區,核心區用對數線(xiàn)因此稱(chēng)為L(cháng)-TV型過(guò)渡.一= 2.51n00 +5.5+ OB(15)(3) L-LV-TV型過(guò)渡U.v‘當背景湍動(dòng)較低時(shí)，若n To，先發(fā)生牛頓TYHCNMHG8(17)型層流向湍流的過(guò)渡,反應點(diǎn)位于L曲線(xiàn)上.若減.然而，以上得到的流速分布公式并無(wú)太多的阻劑濃度很高,湍流背景不足以使其失穩,則溶液實(shí)際應用價(jià)值.348力進(jìn)展2008年第38卷4.3.1.2半經(jīng)驗半理論法浮物在非穩定流動(dòng)通道內的穩定性和減阻性能進(jìn)通過(guò)引入一些假設，建立描述高分子聚合物行了研究研究結果表明,纖維懸浮物對非穩定流減阻流動(dòng)的減阻規律的方程式，迄今為止, 已經(jīng)動(dòng)的減阻率隨著(zhù)其特征尺寸H的增大而增加.有很多學(xué)者通過(guò)不同的本構方程和湍流模型建立(2)管民、郭鳳風(fēng)等[58]以背朗特動(dòng)量傳遞理了描述高分子聚合物溶液流動(dòng)減阻規律的方程式論為基礎,按照卡門(mén)的3層模型,通過(guò)室內模擬環(huán)我國的竇國仁[3~5]在這方面的研究結果比較具道對加入減阻劑的0號柴油在圓管內的流動(dòng)參數有代表性.的測定，計算了非牛頓流體管內湍流邊界層的層竇國仁從黏彈性流體的Maxwell 方程式出發(fā),流內層、過(guò)渡層、湍流中心的渦流黏度、渦流黏度導出了黏彈性流體在湍流條件下的內部剪切力公與運動(dòng)黏度比、總應力隨相對位置的變化等定量式在此基礎上應用湍流隨機理論,得出了光滑明參數,探討了高分子減阻劑對非牛頓流體流動(dòng)特渠和管道中減阻湍流的時(shí)均流速分布公式和縱向性的影響.結果表明,加入高分子減阻劑主要是由脈動(dòng)流速分布公式，并導出了其阻力系數變化規于降低了過(guò)渡層和湍流中心的渦流枯度而實(shí)現減律例如,對于光滑圓管流動(dòng),添加劑減阻湍流的小湍流應力,從而降低流體流動(dòng)的阻力.時(shí)均速度分布公式可寫(xiě)為(53] .(3)陳仕偉(59]采用4常數Mxwll-Oldroyd可__=0.251n(1+ 10.V+ (5.8D2 +1.25)x模型研究了非牛頓流體邊界層流動(dòng),給出了邊界u。+ 5vD.層內速度分布數值解,以及邊界層厚度、摩阻系數.. U.y/(5vD.)+2.5u.y/(5vD.)_\沿程變化關(guān)系.結果表明,與牛頓流體情形類(lèi)似，非(1 + v.y/(5vD)\1+ U.y/(5vD.)牛頓流體的摩阻系數和邊界層厚度均與Re(以主D.=1+auoH日流向位移為長(cháng)度尺度的流動(dòng)雷諾數)成指數規律,(18)同時(shí),發(fā)現減阻流動(dòng)中的入口段流動(dòng),摩阻系數幾.其中a為無(wú)因次剪切力變化率的絕對值與無(wú)因次乎與Rex無(wú)關(guān)，只與松弛時(shí)間和推遲時(shí)間的比值流速梯度的絕對值的比值, u。 為摩擦速度, H為寬(用K表示)有關(guān).且K值的增大不僅會(huì )減弱湍流明渠的水深或管道的半徑θ為流體的松弛時(shí)間,流動(dòng)的脈動(dòng)產(chǎn)生的阻力,而且可以減少層流阻力.0m為聚合物分子的松弛時(shí)間, y為距壁面距離, v在相同的K值下，湍流減阻效率近于層流減阻效為運動(dòng)黏滯系數.管道流動(dòng)阻力系數可寫(xiě)為[55率的一倍.隨著(zhù)K值的增大，非牛頓流體的黏彈性增強,剪切稀化性質(zhì)增強,摩阻下降且管道入口段增長(cháng).該研究為探討高分子稀溶液管內流動(dòng)減(25_. 23.2D:+5_ 34.8D: + 10 .阻提供了理論依據Co= (2.(w.ro/5vD.)- (o.ro/5vD.)2)]x(4)李兆敏和蔡國琰[60]運用混合長(cháng)度理論和uD)+5.8D3+;34.8D2 + 10Maxwell流體模型,從理論上推導出了Maxwell流(1+(v+ro/5vD.)2(19)體在湍流流動(dòng)過(guò)程中的速度分布和摩擦阻力系數.其所得的速度分布和摩阻系數的表達式可以描述其中,ro為圓管半徑.出流動(dòng)阻力的減小和層流向湍流轉捩的延遲.并4.3.1.3 我國學(xué)者的其它相關(guān)研究及其結果且用激光多普勒測速儀(laser doppler anemometer,(1)林建忠、邵雪明等[56] 采用FENEP模型LDA)測試了PAM水溶液的湍流及減阻特性,實(shí).對高雷諾數下二維黏彈性混合過(guò)程中擬序結構的驗結果和理論驗證較吻合.演變進(jìn)行了數值模擬研究.計算結果表明,在流場(chǎng)(5)吳玉剛等(61]提出了一一個(gè)高分子聚合物抑中加入聚合物,基波和次諧波的發(fā)展受到抑制,渦制湍流的模型，并依此推出了減阻流體的速度分量擴散加強、減慢了配對時(shí)兩渦量的旋轉運動(dòng)，這布公式和麼陽(yáng)系數乃換執系數的數學(xué)表達式.種影響隨Weissenberg數(流動(dòng)特征時(shí)間與流體松中國煤化工弛時(shí)間之比)的增大而減小，但卻隨表征聚合物拉4.3.2l流動(dòng)速度場(chǎng)的定HCNMHG伸特性的參數的增大而加強.另外,與相同溶液粘工佃x度下的牛頓流體相比,配對過(guò)程中渦量完全合并如果說(shuō)以上竇國仁等的理論研究使我們可以的時(shí)刻延遲了.林建忠、游振江等(57] 還對纖維懸定量地了解關(guān)于高聚物添加劑減阻流體的流動(dòng)規第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述349律,那么下面王德忠等人的實(shí)驗研究,使我們可以著(zhù)降低且兩者主要在壁面附近(y+≈90)存在最定性地了解關(guān)于對表面活性劑減阻流體流動(dòng)的速大差異.度場(chǎng)特性.以上實(shí)驗研究結果與國外報道的一些相關(guān)研王德忠等[62) 應用粒子成像測速儀(particle究結果一致(2.2.2.30.4.0.3.34.0image velocimetry, PIV) 和相位多普勒測速儀(phase doppler anemometry, PDA)在二維流道內對r/ms"十六烷基三甲基氯化銨(Cetytrimethyl Ammonium0.421 5650.80.318 75Chloride,CTAC)表面活性劑溶液減阻流體湍流流0.2159340.113 119場(chǎng)進(jìn)行測量,得到了減阻流體湍流速度分布圖,得三出如^卜結果.s 0.4(1)減阻流體的速度梯度變化規律如圖6所示，在流道中心處減阻流體的速度梯度較水湍流流動(dòng)時(shí)大,而在近壁面處則恰恰相反.并且在近壁面處,減阻流體的速度分布曲線(xiàn)趨近于牛頓流體層狀流動(dòng)時(shí)的速度分布曲線(xiàn)，但并(a)水流不重合于此曲線(xiàn).圖6中U為管道內距離管壁y.r/m-s-1處的時(shí)均流速，U,為流動(dòng)斷面平均流速,y為距壁0.501 360.0.375 958面的距離, H為二維矩形管道高度.的0:25500.41.2水0.2-1.00.2 0.4 0.6 0.8 1*/H. CTAC 60x10- 6kg/l(b) 60 mg/1 CTAC水溶液流動(dòng)層流圖7通過(guò)PIv系統測得Re=41589,T=25°C時(shí)流場(chǎng)中瞬時(shí)速度空間分布輪廓線(xiàn)圖(62)1.5 2.04.4添加劑湍流減阻流動(dòng)的傳熱規律y/(H/2)目前國內對添加劑湍流減阻流動(dòng)的傳熱規律圖6 25°C, Re=41 589時(shí),通過(guò)PDA系統測得流場(chǎng)內各的研究還比較少.下面分3個(gè)部分來(lái)對其進(jìn)行介點(diǎn)平均速度分布圖(光滑線(xiàn)表示牛頓層流流動(dòng)場(chǎng)紹.第1部分為減阻流體傳熱特性的定性描述，第內各點(diǎn)的平均速度分布)(62)2部分為減阻流體的傳熱控制措施,第3部分為湍(2)減阻流體時(shí)均速度空間分布流減阻流動(dòng)對流換熱減弱的機理.減阻流體速度輪廓線(xiàn)圖在近壁面處與流道幾4.4.1添加劑湍流減阻流動(dòng)的傳熱特性乎平行(圖7),且該平行輪廓線(xiàn)部分所占的比例較水湍流流動(dòng)時(shí)相應部分要寬很多.而且，在近壁面4.4.1.1高分子聚合物添加劑對湍流對流換熱的影處減阻流體的渦流隨機運動(dòng)幅度與水湍流流動(dòng)時(shí)向相比明顯大大減小.由此表明,這些變化應該都是我國對于高聚物溶液的對流換熱的研究報告,由于過(guò)渡層(彈性層)的變厚和近壁面處即黏性底最早見(jiàn)于1987年蔡國琰的流體黏彈性對湍流流動(dòng)層速度梯度的減小而導致的.與傳熱中國煤化工采用混合長(cháng)理另外，處于最大減阻狀態(tài)的溶液，其橫向速論和Y片CN MH C了阻力系數與度脈動(dòng)和主流方向速度脈動(dòng)均明顯小于牛頓流體;換熱系數.晰冗衣明，貓彈任公降低流體的換熱性減阻流體的主流方向速度脈動(dòng)和橫向速度脈動(dòng)之能;所得的公式進(jìn)--步表明,黏彈性對換熱系數的間的關(guān)聯(lián)被抑制，其雷諾應力與牛頓流體相比,顯影響與背朗特數和雷諾數有關(guān),隨著(zhù)普朗特數增350力學(xué)進(jìn)畏2008年第38卷加,黏彈性影響加強;隨雷諾數增加，影響變弱.究.4.4.1.2表面活性劑對湍流對流換熱的影響利用表面活性劑剪切可逆性,考慮在管道局馬祥琯和陶進(jìn)(66通過(guò)對表面活性劑圓管內部添加金屬網(wǎng)篩、蜂窩結構、混合器、流體擠壓流動(dòng)的減阻特性和換熱特性的研究發(fā)現，表面活器、旋渦發(fā)生器等破壞裝置的方式，對湍流減阻流性劑的加入使湍流在減阻的同時(shí)對流換熱系數也動(dòng)的減阻和換熱可以進(jìn)行控制和調節.其原理是大幅度降低另-方面也發(fā)現,表面活性劑溶液具當流體流過(guò)破壞裝置時(shí),受到高剪切力的作用,使有剪切可逆性及溫變可逆性,利用該性質(zhì)可以對表面活性劑水溶液中的膠束結構暫時(shí)被破壞,提其湍流的對流換熱進(jìn)行控制.剪切可逆性及溫變高破壞裝置下游流動(dòng)的換熱效率;而后因為表面可逆性決定了表面活性劑減阻劑比高聚物減阻劑活性劑具有自恢復能力，待其棒狀膠束結構重新具有更廣闊的工業(yè)應用潛力,尤其是在有換熱設形成后,其減阻功能自動(dòng)恢復,從而達到整個(gè)系統備和泵的液體循環(huán)系統中.在減阻的同時(shí)提高換熱效率的目的.繼馬祥琯等對表面活性劑溶液的流動(dòng)和換熱一些實(shí)驗研究表明[70~74,表面活性劑減阻流特性的研究之后，直到近幾年才開(kāi)始對其進(jìn)行進(jìn)體 在通過(guò)破壞裝置后，在其下游確實(shí)起到了強化一步的研究.2006年董正方等研究[67]表明,CTAC換熱的效果,同時(shí)減阻效應減弱甚至消失;經(jīng)過(guò)一表面活性劑水溶液湍流減阻流動(dòng)的換熱系數柯?tīng)柖尉嚯x的流動(dòng)后， 減阻性能自動(dòng)恢復.朋因子(Colburn factor)與阻力系數之比(用K'表此外,還可利用添加劑湍流減阻現象的管徑示)與牛頓流體(水)的情況有較大差異.當減阻效應來(lái)進(jìn) 行流動(dòng)和換熱的控制與調節,前面已經(jīng)流體的減阻率穩定時(shí)，隨著(zhù)Re數的增大, K'值緩提到， 對于一定濃度的減阻劑溶液流動(dòng)，管道的慢下降;達到減阻失效的臨界Re數后,K'值波動(dòng)水力直徑越小，發(fā)生湍流減阻的臨界壁面剪切應較大,并且K'值迅速增大到接近沒(méi)有添加減阻劑力越小(即減阻起始雷諾數越小。與之相似， 對的水平.這些實(shí)驗結果與國外的相關(guān)研究結果--定濃度的減阻劑溶液流動(dòng),管徑越小，湍流減阻致13368.0.具體描述如下:效果開(kāi)始減弱進(jìn)而消失的雷諾數也越小.利用這(1)當CTAC水溶液減阻流動(dòng)的減阻率穩定一特點(diǎn)，可以在需要強化換熱處局部縮小管道水時(shí),隨著(zhù)雷諾數的增大,柯?tīng)柵笠蜃优c阻力系數比力直徑使之對應于該減阻劑溶液濃度下的減阻效值小于0.5且隨雷諾數增大緩慢下降;達到臨界雷果減弱或消失的管道直徑和流動(dòng)雷諾數,從而達諾數后,柯?tīng)柵笄糇优c阻力系數之比值波動(dòng)較大,到局部對流換熱強化的效果包括我國學(xué)者在內，.并且比值迅速增大到接近0.5.已有一些研究結果證明了這一控制措施是有效(2)熱流密度對CTAC水溶液減阻流動(dòng)傳熱的[6,75.系數與阻力系數之間的關(guān)系有影響.增大熱流密4.4.3湍流減阻流動(dòng)的對流換熱減弱機理度后，靠近加熱板的CTAC水溶液的溫度升高到一定程度, 導致了減阻流體的膠束網(wǎng)狀結構部分李風(fēng)臣等(3,33,33應用LDV和微細熱電偶測被破壞從而出現阻力系數增大,同時(shí)傳熱性能增.量技術(shù)，首次測得了二維通道內被加熱的表面活強,使得CTAC溶液流動(dòng)的柯?tīng)柵笠蜃优c阻力系性劑水溶液湍流減阻流動(dòng)中的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合信息，從而全面研究了減阻流動(dòng)中對流換熱數的比值趨于不加CTAC時(shí)的情況.(3) CTAC水溶液減阻流動(dòng)傳熱系數和阻力系減弱的機理.分 析結果表明，湍流減阻流動(dòng)中溫數與希爾頓-柯?tīng)柵箢?lèi)比關(guān)系存在差距,減阻率越度脈動(dòng)與垂直于壁面方向速度脈動(dòng)間相關(guān)性降低大,差距越明顯;減阻率越小,越接近希爾頓-柯?tīng)?解耦現象),加上速度脈動(dòng)強度降低，導致了垂直朋類(lèi)比關(guān)系.于壁面的湍流熱流密度大大降低,根據推導出的由湍流熱流密度直接計算努謝爾特數的公式可知，4.4.2湍流減阻流動(dòng)的換熱控制湍流減阻流動(dòng)的努謝爾特數大大降低.另外,實(shí)驗表面活性劑溶液在具有良好減阻性能的同時(shí)，研究還發(fā)現湍流減陽(yáng)流動(dòng)中的湍渦動(dòng)量擴散系數其流動(dòng)的換熱性能卻顯著(zhù)降低這-現象有利有及湍中國煤化工低弊.-方面,它有利于流體在傳遞過(guò)程中減少熱量iYHCNMHG的損失;另一方面,其所攜帶熱量的利用就出現困5減阻劑在找國時(shí)應用情況難,對一些需要加強換熱的設備(如換熱器)影響了其工作效率.這就涉及到了有關(guān)傳熱控制的研目前,有關(guān)添加劑湍流減阻現象的研究已成第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述351為一門(mén)涉及到實(shí)驗流體力學(xué)、計算流體力學(xué)、理論還能夠有效解決管線(xiàn)卡脖子引起的諸多問(wèn)題流體力學(xué)、流變學(xué)、高分子化學(xué)等的邊緣學(xué)科,而例如有 -沿海采油/煉制綜合系統,在去鄰近煉油減阻劑的應用也成為獨特的綜合性工程廠(chǎng)的脫氣原油管線(xiàn).上曾出現卡脖子現象,使得岸上的穩定裝置不能夠更多接受海上輸送來(lái)的輕原5.1減阻劑在石油運輸上的應用油.加入減阻劑后，該Dg700管線(xiàn)減阻23%,增輸5.1.1國外減阻劑在石油運輸上的應用簡(jiǎn)述(76~78]7%,使油田和煉廠(chǎng)的產(chǎn)量都得到了增加.1979年7月,美國縱貫阿拉斯加輸油管道試(4)使用減阻劑改善輸油的經(jīng)濟條件用高聚物減阻劑成功后,由于這種技術(shù)能大大提以眾所周知的縱貫阿拉斯加的管道為例，由.高管道運力的彈性,在其后短短的幾年內便有十于成功地應用了減阻劑,停建了7號和11號泵站，幾條管道推廣應用，其應用范圍遍及北美洲、拉丁仍能經(jīng)濟地達到設計輸量的事實(shí).美洲、歐洲、亞洲和大洋洲.而且減阻劑減阻技術(shù)不但適用于陸上管道,也適用于海底管道.自205.1.2國內減阻劑在石油運輸減阻上的研究和應用世紀80年代初以來(lái),在世界范圍,陸上、海上有幾鑒于國外在減阻技術(shù)上的成功應用，我國從百條輸油管道陸續應用了減阻劑,迅速而經(jīng)濟地20世紀80年代初開(kāi)始，也先后做了大量的減阻解決了許多棘手的問(wèn)題,例如:劑減阻在輸油管道中的應用試驗.在試驗基礎上,(1)應用減阻劑以適應季節的變化分析了減阻劑的增輸、減阻效果,及減阻劑在我國季節變化會(huì )引起對不同油品需求量的變化、實(shí)際應用的經(jīng)濟情況，為減阻劑在我國輸油管道油品牌號的變化，還會(huì )造成所輸油品物性的變化，中的應用奠定了基礎.試驗表明,減阻技術(shù)能夠得使輸送產(chǎn)生困難.為解決這些問(wèn)題，國外已廣泛使以迅猛發(fā)展，除了技術(shù)上的先進(jìn)性外，經(jīng)濟上的合用了減阻劑，并獲得成功例如，美國西南部一理性也是重要的原因.在能源費用,管道建設器材,條Dg200的成品油管道,曾遇到夏季汽油用量增人工費用上漲的形勢下,與增建泵站,敷設副管相大,有96.56km管道出現卡脖子的問(wèn)題這種短期比,減阻劑應用具有快速、經(jīng)濟的優(yōu)勢.而近年來(lái),性的問(wèn)題平衡不了投資費用.結果采用減阻劑迅國內減阻劑的研制也有很大飛躍, -些減阻劑已速、經(jīng)濟地解決了問(wèn)題.摩阻下降了40%,使增輸能夠和國外的減阻劑媲美.國內減阻劑的成功研28%成為可能.還有,美國海灣區一條Dg200輸油制,又為我國減阻劑的應用大大降低了成本.管道因冬季柴油黏度上升影響了輸量,加減阻劑從1985年開(kāi)始,我國已先后在鐵嶺-大連后使摩阻下降35%,保持了正常輸量.線(xiàn)[79,東營(yíng)-黃島線(xiàn)[79), 東臨線(xiàn)[79), 格爾木-拉.(2)應用減阻劑以適應客觀(guān)條件的變化薩線(xiàn)[80),二連油田(1.,82, 新疆克拉瑪依-獨山子已建成的管道，其輸量前景一般是很難預測煉油廠(chǎng)管線(xiàn)(83,南輸(撫順至營(yíng)口鮁魚(yú)圈)841,靖的，隨客觀(guān)條件的變化,輸量隨之變化，如市場(chǎng)情安-咸陽(yáng)輸油管道楊洛段[85,86, 臨邑-濮陽(yáng)一洛況發(fā)生變化、滿(mǎn)足油田未預見(jiàn)到的發(fā)展需要、適應陽(yáng)線(xiàn)181,東黃老線(xiàn)(黃島-齊魯)88),東辛線(xiàn)[89]等配額變化等.例如,位于美國海灣區的一條Dg300輸油管道上進(jìn)行了減阻劑在石油運輸上的應用試.汽/柴油輸送管道,由于市場(chǎng)的變化,煉油廠(chǎng)要求提驗,取得了明顯的減阻效果和巨大的經(jīng)濟效益,同高其輸量15%,采用了減阻劑,使摩阻下降35%,經(jīng)時(shí)也發(fā)現了--些亟待解決的問(wèn)題.濟、及時(shí)地解決了困難.又如，美國海灣區-一個(gè)近從這些應用試驗研究可以發(fā)現石油輸送管道海大油田已穩產(chǎn)了很久時(shí)間,近期又有了新發(fā)現,應用減阻技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):造成干線(xiàn)輸量不適應的情況使用減阻劑后,減阻(1)采用加減阻劑輸送工藝后,經(jīng)濟效益很39%,輸量增大15%,解決了問(wèn)題.可觀(guān).如:楊洛段加劑運行后，全年原油增輸(3)用減祖劑保證正常、均衡地輸油7.884x108 kg/年,去除減阻劑成本,年獲利2032萬(wàn)保證設備檢修和故障處理期間油田、煉廠(chǎng)等元的正常生產(chǎn).如海上石油生產(chǎn)及運輸設備的建設(2)現有管道系統添加減阻劑,可迅速提高管費用極高,要求設備有極高的使用率,極低的備用道輸中國煤化工?？伸`活地調整率.在海上平臺上的設備進(jìn)行檢修及事故處理前輸油MHCN M H G交地創(chuàng )造經(jīng)濟、后,采用減阻劑保產(chǎn)在經(jīng)濟上是合理的.北海油田社會(huì )效m.曾采用此種方法進(jìn)行過(guò)生產(chǎn)，該Dg400管道用減(3)加劑運行后運行壓力可以大幅降低,管道阻劑減阻38%,保住了產(chǎn)量.運營(yíng)安全性提高,這對我國的運行多年的老管線(xiàn)352力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷尤為重要.達31.7 %,增輸率達18.7%.(4)在-定程度上還可以提高輸送裝置的效(7)減阻劑的添加濃度越大,增輸效果越明顯.率,如:楊洛段,加劑后泵的效率有所提高,由加減但是當濃度增加到一定程度時(shí),再增加減阻劑的阻器前的64.06% (流量為480m/h),提高到加減濃度, 單位濃度減阻劑的減阻效率反而下降,故加阻劑后的65.9% (流量為570m3/b).劑濃度應按需確定,不能盲日加大劑量.(5)因為成品油用量受市場(chǎng)和季節的影響波(8)施加減阻劑只能使可能越站的管段提高動(dòng)比較大，且我國油田產(chǎn)量變化幅度比較大，應流量,而絕不能使不可能越站的管段能夠越站加用減阻劑技術(shù)可以在管道不改變現有設備條件下，劑越站輸送時(shí)，可以使管道先進(jìn)人越站輸送狀態(tài),增加管道輸量的彈性以適應短期油田產(chǎn)量大幅度然后注人減阻劑提高越站流量.的變化.特別是在卡脖子段,加減阻劑后就可以使此外,減阻技術(shù)雖有以上一系列的優(yōu)點(diǎn),但對整個(gè)管道輸量增加，經(jīng)濟效益十分顯著(zhù).于需要長(cháng)期增輸的管線(xiàn),應用減阻劑的方案則可(6)利用減阻技術(shù)可對長(cháng)輸管道系統進(jìn)行減能不是最優(yōu)因為在管道輸送中,影響輸量的因素站、越站操作,降低輸送能耗和操作成本,增加了是多方面的，其中有一大內素就是管道的摩擦阻生產(chǎn)管理的靈活性.此外,還可實(shí)現在不停輸狀態(tài)力在管流中添加減阻劑只是從改變流體的流動(dòng)下對泵機組或泵站進(jìn)行檢修維護、更新改造,降低特性來(lái)降低摩擦阻力損失,而不是由管道本身來(lái)維修改造成本.解決間題.減阻技術(shù)作為一種短時(shí)間應急措施有此外，管道減阻還可以大幅度節省新建管線(xiàn)其無(wú)比的優(yōu)越性.但對需長(cháng)期增輸的管道來(lái)說(shuō)，不建設投資.新線(xiàn)設計中一個(gè)很重要的依據就是管僅需要大量的減阻劑，使其經(jīng)濟效益不明顯，而且道的年輸量,但對管道輸量影響因素有許多是不在輸送系統中增加了減阻劑注入裝置,使其整個(gè)確定的.如對油田儲量的估測不可能做到十分精系統的操作量、故障率大大提高,不利于日常操作確，市場(chǎng)條件要求管道輸量的變化及油品種類(lèi)的管理所以對減阻技術(shù)既要做到優(yōu)先考慮,又決不.改變等等.這一些不確定岡素,在新線(xiàn)設計中不可能盲目應用,只有這樣才能發(fā)揮減阻技術(shù)的長(cháng)處.能考慮很全面、很具體,可根據相對經(jīng)濟的數據作隨著(zhù)資料的積累，現在已經(jīng)可以不通過(guò)環(huán)道為設計依據,留下一部分設計余量,用減阻技術(shù)來(lái)試驗,直接用計算機,由原油的性質(zhì)和管道的數據平衡這部分余量.減小管徑、壓縮泵站建設規?？杀容^精確地取出減阻數據，大大節省了人力和資大大節省新線(xiàn)的建設投資.源.如, 美國CBLFLO程序.我國也進(jìn)行了相關(guān)在石油輸送管道應用減阻技術(shù)也存在如下注研究,例如建立了加減阻劑后水力坡降與原油流.意事項:量、黏度、管徑的關(guān)系及減阻劑濃度與流量、黏度、管徑關(guān)系的數學(xué)模型,并用遺傳算法(genetic(1)加劑油流必須避免嚴重剪切.(2)如果只是瓶頸段減阻，就必須找出哪一段algorithm, GA) 優(yōu)化技術(shù)分別求得兩個(gè)模型中的同歸參數,用實(shí)例檢驗了模型的可靠性和準確或哪幾段是瓶頸段.性191].(3)對于有翻越點(diǎn)的管段，減阻只在油流到達翻越點(diǎn)前才有意義，過(guò)了翻越點(diǎn)就沒(méi)有任何意義5.2減阻劑在水系統中的應用20世紀60年代中期以后,添加劑減阻開(kāi)始步(4)在對高黏度原油應用減阻劑提高輸量時(shí)，入工程實(shí)際應用階段,在軍事技術(shù)、石油運輸、給最好同時(shí)先采取化學(xué)方法降低原油的黏度.這樣,排水工程、防洪、消防、供熱工程等領(lǐng)域得到不同可大幅度減少減阻劑的加入量，得到更大的經(jīng)濟的應用.現列舉幾個(gè)典型的應用領(lǐng)域加以說(shuō)明.效益.5.2.1減阻劑在消防栓上的應用1901(5)減阻劑在低雷諾數條件下，也能發(fā)揮很好將長(cháng)鏈型高分子聚合物注入到管內流動(dòng)的水的減阻效能.如:新疆克拉瑪依.獨山子煉油廠(chǎng)中可以大幅度減低流動(dòng)阻力、增加流量,在噴射管線(xiàn)，該管線(xiàn)平均雷諾數僅為4000, 管線(xiàn)輸量在流時(shí)中國煤化工程.消防車(chē)輸水15mg/l的穩定注入下，增輸率達到50%.滅Hc N M H G和噴射流的組合(6)大口徑長(cháng)輸管道加劑仍有很好的增輸效過(guò)程.仕用防水十加入減阻劑降低流動(dòng)阻力可大:果.如:在楊洛段,管徑為φ377加入了23~26mg/l大提高消防水的射程和流量,增強了消防系統的的QUICKFL0W/S系列減阻劑后,其輸送減阻率能力.第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述上海機械學(xué)院[91]對減阻劑在消防系統中應流量增加50%以上，射程增加一-倍以上.表2是他用的研究表明，在消防車(chē)上采用150mg/l的pw-D們對不同管徑的麻質(zhì)水帶平地鋪設的對比試驗的高分子減阻劑后,管路的減阻百分數達60%以上,結果.表2不同管徑的麻質(zhì)水帶平地鋪設的對比試驗的結果序號對比水泉出口壓力輸水 干線(xiàn)(麻質(zhì)水帶)φ19mm水槍進(jìn)口壓J(kPa)(kPa)管徑/mm長(cháng)度/m4支水槍3支水槍 2支水槍 1 支水槍清水88263.788.2161.7?0600減阻82166.6225.487.168.6156.8254.83040045362.6539300264.6519.4通過(guò)理論以及表2中數據的分析,對消防減阻效果越好.在長(cháng)距離輸水時(shí),用一輛消防車(chē)減阻阻可得到如下的結論:輸水,可發(fā)揮2~3輛車(chē)的作用.對消防車(chē)無(wú)法開(kāi)進(jìn)(1)減阻后水槍進(jìn)口壓力會(huì )增大.實(shí)驗表明,水消防區的情況,該作用尤為重要.槍進(jìn)口處的壓力比清水時(shí)高-倍以上, 最高達3倍5.2.2減阻劑在輸水系統中的應用(如序號3對比試驗).水槍進(jìn)口壓力越大,射程越高,故可作為高層滅火供水的有效措施之- -.一個(gè)水循環(huán)系統,都具有水泵與管道.前面(2)減阻后管路輸水量提高,減阻后管路的輸我們已談到了減阻劑對管道的減阻效果極為明顯,水量增加了一倍以上(如序號1對比實(shí)驗).輸水如果對水泵同樣有減阻效果,則減阻對輸水系統量的提高，可以更有效地撲滅火災.的作用就更大了.上海機械學(xué)院對2BA-6離心式(3)影響減阻效果的因素包括管徑、管路長(cháng)水泵的減阻試驗證明[92),減阻可以提高水泵效率,度、管路流量.管徑越小，減阻效果越明顯;對同且減阻劑的濃度越高,水泵的效率越高.因此,對-干線(xiàn)而言，出水槍越多(流量愈大)其減阻效果輸水系統的減阻,不僅大大提高了輸水能力還對愈明顯;對于大功率消防車(chē),輸水量很大,所以加節約電耗具有很大的意義.表3是水泵的相對流上減阻裝置后,可以如虎添翼;輸水管線(xiàn)越長(cháng),減量Q= 1時(shí)的數據表.表3水泵的相對流量Q= 1時(shí)的水泵效率的變化數據減阻劑皂角粉PEOPWC_減阻劑濃度/mg.1-110000水泉效率提高百分數4.7%17.2%9%15.2%在農田灌溉的水系統中也曾有減阻劑的實(shí)分子聚合物，使射流的密集度增加,從而對煤層單際應用實(shí)例,美國聯(lián)碳公司報導了應用減阻劑位面 積上的沖蝕水量增加，因此可以大大提高采增加農田灌溉系統的流量，使灌溉面積增加了煤速度.215%[93].與采煤相類(lèi)似的場(chǎng)合是油田的沖蝕鉆井.在5.2.3 減阻劑在水力采煤和油田沖蝕鉆井中的應用采用鉆頭鉆井的同時(shí)，在鉆頭上采用超高壓水對巖石進(jìn)行沖蝕,可以成倍地提高打井的速度.如果水力采煤;是用高壓水的噴射流沖蝕煤層根在沖蝕鉆井的超高壓水中加入微量的高分子減阻據高分子聚合物減阻劑在噴射流時(shí)可以增加射流劑，將中國煤化工力進(jìn)一步提高的密集度和射程可知，如果在水泵的進(jìn)口加入微打井的CNMHG量的高分子減阻劑，則可以提高水泵效率并減少管道的阻力損失，從而提高了噴管的進(jìn)口壓力，即5.2.4減阻劑在明渠中的應用提高了噴射壓力;再則由于射流中含有鏈狀的高明渠水流減阻可以增大泄量,從而達到減小354力學(xué)進(jìn)展2008年第38卷排水構筑物尺寸、削減工程投資的日的.應用減市排水工程,尤其在來(lái)水流量超過(guò)管道設計能力,阻技術(shù),除了增大水庫泄放,城市泄洪以及污水排或出現超設計重現期的降雨時(shí),運用減阻技術(shù)大放的作用外，還可作為超設計標準特殊防護的一幅度降 低管道流動(dòng)阻力，加大排量,從而消減積水種措施(例如在非常情況下防御洪水災害).內澇,可獲得理想的經(jīng)濟和社會(huì )效益.但日前為止,對高聚物用于明渠減阻的基本規律研究表明，尚術(shù) 有在我國的應用實(shí)例的報道.高聚物減阻在明渠中具有顯著(zhù)的減阻效果,且減5.2.6減阻劑在集中供熱與空調系統中的應用阻百分比隨溶液濃度、渠道底坡及水力半徑的增集中供熱與空調系統任我國已經(jīng)成為耗能大大而增大.馬祥琯等人(941 通過(guò)高聚物溶液明渠減阻特戶(hù),其中大量能耗消耗在水泵上用來(lái)輸送熱水或冷凍水、冷卻水.減阻技術(shù)在集中供熱及空調水輸性的基礎性實(shí)驗研究,得到以卜結論:配系統的應用可以通過(guò)降低水系統管路的摩擦阻(1)國產(chǎn)PAM對明渠水流有顯著(zhù)的減阻效果,力來(lái)極大地降低泵耗,同時(shí)可以提高水輸送熱量在其實(shí)驗條件下最高減阻百分比達32%,最高流(冷量)的能力,有助于減少輸配管網(wǎng)的初投資,從量增加百分比達19.5%;而具有廣闊的節能前景.(2)明渠水流高聚物減阻與管流減阻相同,溶減阻劑減阻技術(shù)在暖通空調領(lǐng)域的應用研究液濃度越大、雷諾數越大,減阻效果越好;在國外已有報道.例如,在1986 年丹麥就開(kāi)展了(3)明渠水流的減阻效果受底坡影響,在一定減阻技術(shù)在供熱系統熱水輸送中的研究工作.迄雷諾數下，底坡越陡減阻百分比越大;今為止,丹麥已成功地研制了多種可用來(lái)輸送熱(4)明渠水流的減阻效果受水力半徑影響,水水及冷凍水、冷卻水的高分子聚合物或表面活性力半徑越大減阻百分比越大,底坡越陡,減阻百分劑減阻劑， 并且用于實(shí)際系統中.日本在這方面也比增長(cháng)越快.開(kāi)展了大量的研究工作,在很多供熱、集中空調系統中已經(jīng)得以應用.但在我國，這方面的應用研究5.2.5減阻劑在排水管道上的應用國外研究添加劑減阻在排水工程中的應用，還處于起步階段.最初見(jiàn)于1969年美國西部公司的研究報告.報6結語(yǔ)告綜述了德克薩斯州達拉斯市北部在φ610mm,長(cháng)1250m的排水管上進(jìn)行的添加劑減阻試驗,以上僅從減阻劑的特性研究、添加劑湍流減證明能有效緩解排水管道的超載.隨后在附近阻機理研究、有湍流減阻發(fā)生時(shí)的對流換熱機理.φ450mm的排水管上建成永久性自動(dòng)投放減阻劑研究、減阻劑的應用研究等幾個(gè)方面作了綜合評站，以解決大暴雨時(shí)排水能力的不足此外, 新述.由于篇幅所限,在介紹各方面的研究成果時(shí)并澤西州柏根的污水排放系統和英國的Britol 東米列舉很多的研究工作,而是試圖說(shuō)明從眾多研部Knowle排水系統均成功運用了減阻劑減阻究工作中所得出的具有代表性的結論;另外,對湍技術(shù)綜合國外的研究, 排水管道直徑范圍為流減阻領(lǐng)域的研究方法方面的進(jìn)展情況,尤其是200~1 524 mm,所用減阻劑主要有Polyox WSR-直接數值模擬技術(shù)及現代激光測試技術(shù)在流體動(dòng)301 (非離子PEO類(lèi)減阻劑)、ICJ Amerial 4930力學(xué)研究中的應用方面也未單獨詳細評述.(PAM類(lèi)減阻劑)、DOW" SAP-302等投加濃度為從以上綜述可見(jiàn),自Toms效應被發(fā)現至今的20~50mg/,增加流量達20%~25%.在不經(jīng)常發(fā)生近半個(gè)世紀里,對添加劑湍流減阻的研究已取得超設計來(lái)水的條件下,應用添加劑減阻技術(shù)來(lái)做了一系列重要的實(shí)驗、理論和數值分析方面的研為應急措施,比增設管道和擴建排水泵站,更為經(jīng)究成果.盡管如此,在這一-研究領(lǐng)域中 仍有許多問(wèn)濟，題亟待解決，例如目前還沒(méi)有可以解釋添加劑湍我國許多老城區的排水系統已不能滿(mǎn)足需要,中國煤化工還沒(méi)有針對添加每當大雨之后就會(huì )出現積水地段,甚至內澇成災.劑YH.CN M H G諾數下可靠的定因此,有必要結合我國市政建設,開(kāi)展添加劑減阻量分析刀法、從而沉物埋時(shí)用度對減阻劑溶液湍在排水工程中應用的研究,為緩解排水設施不足,流(或處于減阻狀態(tài)下的湍流流態(tài))流動(dòng)的認識還防御內澇災害,提供新的技術(shù).添加劑減阻用于城很不足、對減阻劑溶液流動(dòng)中的微觀(guān)結構的適時(shí)第3期焦利芳等:添加劑湍流減阻流動(dòng)與換熱研究綜述355動(dòng)態(tài)特性的研究還很匱乏等等.在減阻劑的實(shí)際18 Pinho F T, Whitelaw J H. Flow of non Newtonian fuids應用方面，尤其是除了原油的長(cháng)距離輸送以外的in a pipe. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,1990, 34: 129~144其它應用方面，國外已有了相當的發(fā)展，例如歐洲19 Walker D T, Tiederman W G. Turbulent structure in a的東部和北部,以及美國、加拿大、8本和韓國的channel flow with polymer injection at the wall. Journalof Fluid Mechanics, 1990, 218: 377~403某些城市中的區域供熱/供冷系統(被認為是表面20 Harder K J, Tiederman W G. Drag reduction and turbu-活性劑減阻劑最有應用潛力的水循環(huán)系統)中已lent structure in two dimensional channel flows. Philo-sophical Transactions of the Royal Society, Series A成功應用表面活性劑減阻劑來(lái)達到節能降耗的效(Physical Sciences and Engineering), 1991, 336(1640):果[95~9),而我國在這方面則相對落后，有的尚處19~34于起步階段.鑒于添加劑湍流減阻技術(shù)具有很大21 Wei T, Wilmarth w w. Modifying turbulent structurewith drag reducing polymer additives in turbulent channel經(jīng)濟、環(huán)境和社會(huì )價(jià)值,急需在已取得成果的基礎fows. Jourmal of Fluid Mechanics, 1992, 245: 619~6412 Warholie M D, Schmidt G M, Hanratty T J. 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Studies (experimental study, theoretical analysis, numerical simulation and applicationtests in real systems) over around a half century since its discovery have provided much understanding on theturbulent drag reduction phenomenon and its value in applications. Nevertheless, there are still some aspectswhich need to be investigated further, for example, the turbulent drag reduction mechanism. The currentresearch status in the field of turbulent drag- reducing fow and heat transfer with polymer or surfactant additivesis reviewed in this paper. The characteristics of turbulent drag reducing flow and heat transfer are summarizedin the following aspects: properties of turbulent drag reducers, mechanisms of turbulent drag reduction withadditives, mechanisms of convective heat transfer with turbulent drag reduction, and distribution of the velocityand the heat transfer control in drag-reducing flow. Furthermore, the applications of turbulent drag reducersin the industrial systems are discussed. Some new insights on the mechanism of turbulent drag reduction byadditives, mechanism of convective heat transfer with drag reduction, are also reviewed.Keywords polymer, surfactant, turbulent drag reduction, cc中國煤化工avingYHCNMHG" The project supported Harbin Specialized Ressearch Fund for Scientific Technology in Novation (5006RFLXS013)↑E-mail: lifch@hit.edu.cn