表面活性劑減阻流體減阻機(jī)理與傳熱性能的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究.pdf

1、在水中添加少量的陽(yáng)離子表面活性劑可以降低湍流流體的流動(dòng)阻力，進(jìn)而降低循環(huán)系統(tǒng)中泵的功耗。近年來(lái)，對(duì)表面活性劑減阻流體在區(qū)域供熱/冷系統(tǒng)中的應(yīng)用成為人們關(guān)心的熱點(diǎn)問題，然而對(duì)添加劑表面活性劑減阻流體的減阻機(jī)理仍不明確，對(duì)表面活性劑減阻流體的傳熱特性研究也甚少。本文以研究表面活性劑減阻流體的減阻機(jī)理和傳熱特性為目標(biāo)，用氯化十六烷基三甲基季銨鹽(cetyltrimethylammoniumchloride，CTAC)陽(yáng)離子表面活性劑作添加劑，

2、制定了詳細(xì)的表面活性劑流體湍流實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方案。 本文研究主要包括：表面活性劑CTAC減阻流體減阻性能實(shí)驗(yàn)研究；表面活性劑CTAC減阻流體湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和湍動(dòng)能結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究；表面活性劑CTAC蒸餾水溶液流變實(shí)驗(yàn)研究；描述表面活性劑減阻流體剪切稀化特性對(duì)減阻作用的純粘性剪切稀化模型計(jì)算研究；描述表面活性劑減阻流體粘彈性對(duì)減阻作用的Giesekus粘彈性直接數(shù)值模擬(directnumericalsimulation，DNS)研究；

3、表面活性劑減阻流體傳熱實(shí)驗(yàn)研究。 對(duì)表面活性劑CTAC減阻流體減阻性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究表明，第一臨界雷諾數(shù)隨表面活性劑濃度的增大而增大，完全減阻區(qū)內(nèi)CTAC減阻流體減阻存在一個(gè)最佳濃度。 用相位多普勒非接觸式測(cè)量技術(shù)對(duì)CTAC減阻流體充分發(fā)展湍流流場(chǎng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，觀測(cè)到表面活性劑減阻流體湍流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和湍動(dòng)能結(jié)構(gòu)都發(fā)生了改變。具體表現(xiàn)為表面活性劑CTAC減阻流體過渡層明顯增厚，對(duì)數(shù)區(qū)曲線向上偏移；軸向湍流強(qiáng)度峰值比水大，出

4、現(xiàn)峰值的位置向流道中心處偏移；表面活性劑CTAC減阻流體雷諾剪切應(yīng)力出現(xiàn)虧空(Reynoldsstressdeficit)，說明由添加劑產(chǎn)生的附加表面活性劑剪切應(yīng)力在總的平均剪切應(yīng)力中起到重要作用；表面活性劑CTAC流體湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)則被整體抑制，且曲線峰值向流道中心處偏移，添加劑CTAC的加入導(dǎo)致湍動(dòng)能結(jié)構(gòu)的顯著改變。 用AR-G2控制應(yīng)力流變儀對(duì)六種濃度的表面活性劑蒸餾水溶液進(jìn)行了流變實(shí)驗(yàn)研究。通過流變實(shí)驗(yàn)分析，本文首次提出出

5、現(xiàn)剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)(shearinducedstructure，SIS)的表面活性劑溶液存在臨界濃度。表面活性劑溶液中的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)(SIS)并不是添加劑表面活性劑減阻流體出現(xiàn)減阻必要條件。工業(yè)應(yīng)用上表面活性劑減阻存在一個(gè)最佳濃度。 剪切稀化特性是表面活性劑溶液流變性的一個(gè)重要特征。用純粘性剪切稀化Carreau-Bird模型對(duì)減阻溶液中剪切稀化特性對(duì)減阻的作用進(jìn)行模擬。計(jì)算顯示出比PDA實(shí)驗(yàn)小的減阻率，但澄清了高濃度減阻流體湍流強(qiáng)

6、度整體被抑制，較低濃度卻是發(fā)生了改變的這一現(xiàn)象。 用Giesekus粘彈性非牛頓流體本構(gòu)方程對(duì)減阻流體中的粘彈性特性對(duì)減阻的作用進(jìn)行直接數(shù)值模擬(directnumericalsimulation，DNS)。計(jì)算顯示出與PDA實(shí)驗(yàn)接近的減阻率，說明計(jì)算濃度范圍內(nèi)的減阻流體中粘彈性對(duì)減阻起到了主導(dǎo)作用。直接數(shù)值模擬出的減阻流體瞬時(shí)速度脈動(dòng)圖清楚地顯示，添加劑減阻流體近壁處猝發(fā)明顯降低，瞬時(shí)脈動(dòng)渦結(jié)構(gòu)整體被拉伸，近壁處渦結(jié)構(gòu)顯示有從

7、右向左流動(dòng)的流體，減阻流體湍流流場(chǎng)中存在低速拉伸的軸向條紋速度帶，且間距比牛頓流體的大。同時(shí)減阻流體湍動(dòng)能結(jié)構(gòu)與水相比也完全發(fā)生了改變。 基于減阻實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算，建立了減阻流體減阻機(jī)理模型。 表面活性劑減阻流體傳熱性能實(shí)驗(yàn)說明，單位體積的減阻流體溫度升高1℃所需的熱量比單位體積的水溫度升高1℃所需的熱量大。CTAC減阻流體的平均溫度分布曲線顯示，減阻流體的主要熱阻發(fā)生在過渡層，粘性底層卻顯示很小的熱阻發(fā)生，而水的主要熱阻

8、是發(fā)生在粘性底層。CTAC減阻流體的溫度脈動(dòng)頻率比水小，且隨著y+的改變而有所不同。CTAC減阻流體溫度脈動(dòng)與速度脈動(dòng)有相似的分布趨勢(shì)，其峰值都向流道中心處偏移。CTAC熱流體湍流溫度脈動(dòng)強(qiáng)度對(duì)軸向熱流量的貢獻(xiàn)更大，使得軸向熱流量的最大值出現(xiàn)在靠近溫度脈動(dòng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置。CTAC減阻流體溫度脈動(dòng)與壁面垂直方向速度脈動(dòng)相關(guān)性降低，使得CTAC減阻流體的軸向湍流熱流量小于水的，產(chǎn)生傳熱下降率(heattransferreduction