表面活性劑減阻流體湍流擬序結(jié)構(gòu)尺度特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、能源在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著舉足輕重的作用，當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)正處于高速增長(zhǎng)階段，對(duì)能源的需求更加迫切。節(jié)能是我們進(jìn)行減阻研究的出發(fā)點(diǎn)。在工業(yè)、民用流體輸運(yùn)過程中，降低流體的輸運(yùn)成本是一項(xiàng)亟待解決的問題。 流體減阻機(jī)理的揭示受制于湍流研究的復(fù)雜性，研究減阻流動(dòng)對(duì)湍流理論的發(fā)展，尤其是對(duì)非牛頓流體湍流理論的發(fā)展有著重要的價(jià)值。因此流體減阻存在的巨大經(jīng)濟(jì)與理論價(jià)值吸引了眾多學(xué)者。表面活性劑減阻流體具有良好的流動(dòng)控制性能和機(jī)械穩(wěn)定性，工業(yè)應(yīng)用前景

2、十分廣泛。 在國(guó)家自然基金的資助下，本文在二維可視化矩形流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，應(yīng)用相位多普勒測(cè)速儀（Phase Doppler Anemometry，簡(jiǎn)稱PDA）和粒子成像速度場(chǎng)儀（Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱PIV）對(duì)十六烷基三甲基季胺鹽（Cetyltrimethyl Ammonium Chloride，簡(jiǎn)稱CTAC）減阻流體的減阻性能及流動(dòng)過程中的湍流特性和擬序結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 本研究主要包

3、括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：一、二維光滑流道內(nèi)減阻流體減阻性能的實(shí)驗(yàn)研究，完成流道沿程壓力測(cè)量；二、減阻流體湍流空間結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)以及表面活性劑對(duì)流體摩擦系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)用PDA和PIV激光測(cè)量圖像分析了表面活性劑與牛頓流體不同的流動(dòng)特點(diǎn)；三、減阻流體流動(dòng)過程中速度高階項(xiàng)及渦結(jié)構(gòu)積分尺度分析。 本文得出了以下主要結(jié)論： 1.CTAC和水的湍動(dòng)度比較分析發(fā)現(xiàn)，CTAC減阻流體流動(dòng)過程中近壁面處的湍動(dòng)度明顯大于同流量下水的湍

4、動(dòng)度，但是在主流區(qū)兩者的差別不大。 2.CTAC減阻流體及水的傾斜因子比較發(fā)現(xiàn)，CTAC減阻流體近壁面處傾斜因子S較水更接近零點(diǎn)，表明近壁面處CTAC減阻流體較水存在更接近各向同性的擬序結(jié)構(gòu)，速度脈動(dòng)更接近正態(tài)分布；而在遠(yuǎn)離壁面處，CTAC減阻流體的傾斜因子較水遠(yuǎn)離零點(diǎn)，表明相比于水CTAC溶液的流動(dòng)各向異性程度更強(qiáng)，速度脈動(dòng)遠(yuǎn)離正態(tài)分布。 3.不同減阻效應(yīng)的CTAC溶液的傾斜因子比較發(fā)現(xiàn)，減阻效果越好的CTAC溶液

5、其傾斜因子越遠(yuǎn)離零點(diǎn)，也即其流動(dòng)更加有序。 4.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：近壁面區(qū)CTAC減阻流體的平坦因子比水更小，表明那里存在更接近各向同性的渦結(jié)構(gòu)；主流區(qū)CTAC的平坦因子比水更大，而且在y=5.98mm附近出現(xiàn)高峰，表明減阻流體主流區(qū)流動(dòng)更加有序，各向異性程度更強(qiáng)。CTAC流體的傾斜因子及平坦因子分布與水相比所以出現(xiàn)這種變化，可能是減阻流體的膠束結(jié)構(gòu)與壁面約束條件共同作用的結(jié)果。 5.為了更加清楚的了解CTAC減阻流體流動(dòng)過

6、程中的湍流特性，本文對(duì)其流動(dòng)過程中的積分尺度進(jìn)行了研究，并與水進(jìn)行了比較。，研究發(fā)現(xiàn)近壁面處水的積分尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CTAC溶液的積分尺度，表明近壁面處水存在比CTAC減阻流體尺度更大的擬序結(jié)構(gòu)；比較兩者趨勢(shì)曲線的波動(dòng)幅度發(fā)現(xiàn)，CTAC溶液趨勢(shì)線的波動(dòng)較小，盡管在近壁面處也存在大的擬序結(jié)構(gòu)，使得趨勢(shì)線有所上揚(yáng)，但水的趨勢(shì)線波動(dòng)明顯大于CTAC溶液，從而說明在流動(dòng)過程中，水較CTAC減阻溶液存在更多的能量串級(jí)，意味著其能量消耗大于CTAC減阻