管流添加劑減阻的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究.pdf

1、暖通空調(diào)系統(tǒng)中泵的能耗在整個建筑能耗中所占比例非常大，以往圍繞其進(jìn)行的節(jié)能降耗研究多集中在輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)等方面。由于在液體中加入少量的高分子聚合物或表面活性劑可導(dǎo)致其流動阻力大幅度減少，即出現(xiàn)添加劑減阻現(xiàn)象，此時不但流體輸送過程的摩阻系數(shù)顯著下降，而且會因傳熱性能降低而減少沿程輸送的熱量（或冷量）損耗。如果能夠?qū)⑻砑觿p阻技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，不僅能夠大大降低輸配系統(tǒng)中水泵的能耗，而且能夠相應(yīng)地提高水輸送熱量(或冷量)的能力

2、并有助于減少輸配管網(wǎng)的初投資，因此在我國開展此項(xiàng)技術(shù)的研究對暖通空調(diào)領(lǐng)域的節(jié)能減排工作具有重要的意義。本文將從應(yīng)用基礎(chǔ)的角度研究添加劑減阻技術(shù)在暖通空調(diào)水系統(tǒng)中實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。
　　本文針對暖通空調(diào)水系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并建立了溫度可控、實(shí)驗(yàn)管段管徑可變、具有循環(huán)剪切功能的添加劑減阻實(shí)驗(yàn)臺。該實(shí)驗(yàn)臺的水溫可控制在8℃至80℃之間、雷諾數(shù)可控制在500~100000范圍內(nèi)，來模擬暖通系統(tǒng)運(yùn)行中的大多數(shù)常見的流動狀態(tài)；減阻實(shí)

3、驗(yàn)在循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，便于研究不同減阻劑的抗剪切特性；實(shí)驗(yàn)管段部分可拆卸，以實(shí)現(xiàn)對常見管材不同管徑的減阻效果研究。在進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)之前先進(jìn)行清水實(shí)驗(yàn)，即在層流區(qū)以Hagen-Poiseuille定律為標(biāo)準(zhǔn)，湍流區(qū)以Prandtl-Karman定律為標(biāo)準(zhǔn)，對實(shí)驗(yàn)段管徑進(jìn)行了率定。
　　采用高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)和表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)的水溶液分別在塑料管(PVC管)和紫銅管中進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)來研究減阻液的減阻起

4、始點(diǎn)、濃度效應(yīng)、溫度效應(yīng)、管徑效應(yīng)及抗剪切性能等特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，濃度為200ppm的PAM水溶液在紫銅管中最大減阻百分比在溫度10℃時為65％，減阻效果非常突出，而在高溫條件下存在明顯降解現(xiàn)象，故PAM減阻劑在區(qū)域供冷系統(tǒng)中應(yīng)該具有一定的應(yīng)用潛力。濃度為300ppm的表面活性劑CTAC水溶液在溫度為60℃的紫銅管中其最大減阻百分比就可達(dá)到65%，同時表面活性劑CTAC水溶液的臨界雷諾數(shù)隨著溶液濃度的增加而增加，但是在低溫下表現(xiàn)出一種

5、飽和的行為，當(dāng)20℃時，100ppm的表面活性劑CTAC溶液臨界雷諾數(shù)約為12000，而400、500和600ppm下臨界雷諾數(shù)幾乎恒定在22500。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示表面活性劑CTAC具有一定的耐高溫抗剪切特性，其在區(qū)域供冷及地板采暖等系統(tǒng)中應(yīng)該具有較好的應(yīng)用前景。
　　暖通空調(diào)系統(tǒng)中大多數(shù)管道內(nèi)的流動都處在湍流（紊流）狀態(tài)下，其中20~30%的能量損失是由湍流中心區(qū)內(nèi)大尺度旋渦的高次分叉所引起的，而70~80%的湍流能量損失卻是由邊

6、界層附近的湍流猝發(fā)所引起的。通過對湍流擬序結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，湍流猝發(fā)雖然在空間上是隨機(jī)的，但卻是一種帶有概周期性和具有確定性結(jié)構(gòu)的擬序性結(jié)構(gòu)，會在邊界層內(nèi)形成一個振蕩流場，因此在研究添加劑減阻機(jī)理時就必須觀察添加劑中的大分子（可將其看做微尺度球形粒子）在此振蕩流場中的動力行為。本文提出了含懸浮粒子流體振蕩粘度的概念，建立了粒子與振蕩流場之間相互作用的數(shù)學(xué)物理模型，推導(dǎo)出了微尺度球形粒子在振蕩流場中運(yùn)動規(guī)律及含有大分子的含懸浮粒子流體振蕩粘

7、度的解析表達(dá)式。這部分工作是對經(jīng)典顆粒懸浮液粘度理論的有益擴(kuò)展，同時為本文隨后的添加劑減阻機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　本文的研究結(jié)果表明添加劑中的粒子進(jìn)入邊界層附近時，會受到湍流猝發(fā)所引起的振蕩流場的作用，產(chǎn)生振蕩響應(yīng)。該過程有利于減弱流場的振蕩強(qiáng)度，更為重要的是該能量損耗會引起局部流場動態(tài)振蕩粘度附加，由于粘度附加將阻礙渦管的形成和已形成渦管的發(fā)育，從而降低湍流猝發(fā)的頻率和強(qiáng)度，抑制在湍流阻力中起著最主要貢獻(xiàn)的湍流猝發(fā)，最終達(dá)到