表面活性劑減阻流體湍流擬序結(jié)構(gòu)尺度特性實驗研究.pdf

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

2、十分廣泛。 在國家自然基金的資助下，本文在二維可視化矩形流動實驗臺上，應(yīng)用相位多普勒測速儀（Phase Doppler Anemometry，簡稱PDA）和粒子成像速度場儀（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）對十六烷基三甲基季胺鹽（Cetyltrimethyl Ammonium Chloride，簡稱CTAC）減阻流體的減阻性能及流動過程中的湍流特性和擬序結(jié)構(gòu)進行了實驗研究。 本研究主要包

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

4、動度，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，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)，速度脈動更接近正態(tài)分布；而在遠離壁面處，CTAC減阻流體的傾斜因子較水遠離零點，表明相比于水CTAC溶液的流動各向異性程度更強，速度脈動遠離正態(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、其傾斜因子越遠離零點，也即其流動更加有序。 4.實驗發(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)流動更加有序，各向異性程度更強。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減阻流體流動過

6、程中的湍流特性，本文對其流動過程中的積分尺度進行了研究，并與水進行了比較。，研究發(fā)現(xiàn)近壁面處水的積分尺度遠遠大于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)；比較兩者趨勢曲線的波動幅度發(fā)現(xiàn)，CTAC溶液趨勢線的波動較小，盡管在近壁面處也存在大的擬序結(jié)構(gòu)，使得趨勢線有所上揚，但水的趨勢線波動明顯大于CTAC溶液，從而說明在流動過程中，水較CTAC減阻溶液存在更多的能量串級，意味著其能量消耗大于CTAC減阻