表面活性劑與縱向微溝槽協(xié)同減阻實(shí)驗(yàn)研究

黃崇海,魏進(jìn)家,魏偉,王葦,肖頎

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所熱能動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,430205,武漢;2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

管道內(nèi)的流動(dòng)大部分均為湍流流動(dòng),而能量損失主要來(lái)源于管道表面的摩擦阻力,因此減阻成為現(xiàn)今湍流節(jié)能研究的焦點(diǎn),由此出現(xiàn)了許多的減阻技術(shù)。將微量的高分子聚合物溶液或表面活性減阻劑加入到湍流流體中后,流阻能大幅減小,最大減阻率約為60%～80%。相比高聚物來(lái)說(shuō),表面活性減阻劑具有可逆的機(jī)械降解特性,即表面活性劑分子能在剪切力的作用下形成剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)(SIS),該結(jié)構(gòu)會(huì)在高溫和高剪切的作用下發(fā)生破壞,但當(dāng)溫度和剪切力減小到一定程度后,SIS能重新生成,從而使溶液恢復(fù)減阻能力,且其減阻效果可達(dá)60%～80%,因此是一種很有前景的高效減阻劑[1]。同時(shí),壁面縱向微溝槽減阻技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、減阻時(shí)不改變流體組成等優(yōu)點(diǎn),且又是一種被動(dòng)式減阻手段,也受到研究者們的普遍關(guān)注。

針對(duì)表面活性劑溶液的減阻機(jī)理,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。Xu等發(fā)現(xiàn),稀溶液的表面活性減阻劑能夠發(fā)生剪切增稠轉(zhuǎn)變,即其表觀黏度隨剪切力增大而突然增大的行為,原因是減阻劑分子在剪切力的作用下形成了SIS,剪切增稠轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是表面活性劑產(chǎn)生減阻的重要因素之一[2-3]。Kawaguchi等通過(guò)利用PIV技術(shù),發(fā)現(xiàn)加入表面活性劑后能在一定程度上抑制小湍流渦產(chǎn)生,從而使溶液內(nèi)的湍流渦平均尺度增大,這就形成了一個(gè)具有大尺度渦的湍流環(huán)境,能為與渦尺度相關(guān)的其他減阻技術(shù)提供優(yōu)良的環(huán)境[4]。

在被動(dòng)減阻方法中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壁面縱向微溝槽進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)微溝槽的存在雖使表面積和表面摩擦增加,但其尖峰卻可以破壞流向渦,并能約束流向渦的展向運(yùn)動(dòng),從而抑制了低速條帶的形成,使得湍動(dòng)能交換和總的表面摩擦力減小;同時(shí)在微溝槽槽谷內(nèi)流體可以保持低速狀態(tài),雖然溝槽尖峰附近的表面剪切應(yīng)力有所增加,但其槽谷內(nèi)的剪切應(yīng)力卻能大幅減小,最終使得表面摩擦出現(xiàn)凈減少[5-6]。Chamorro等通過(guò)對(duì)表面覆蓋有縱向微溝槽的機(jī)翼模型進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)微溝槽的尺寸對(duì)其減阻效果有很大影響,這意味著微溝槽的湍流減阻需要其尺度與近壁湍流渦尺度相當(dāng)[7]。

通過(guò)對(duì)表面活性減阻劑與壁面縱向微溝槽現(xiàn)有的減阻機(jī)理和現(xiàn)象的分析研究可知,微溝槽能通過(guò)對(duì)近壁流向渦運(yùn)動(dòng)的約束來(lái)產(chǎn)生減阻,其約束作用與流向渦尺度有很大關(guān)系;然而,表面活性減阻劑能夠在較大的雷諾數(shù)范圍內(nèi)抑制流體內(nèi)小渦的形成,放大渦的尺度,使流體內(nèi)形成平均渦尺度較大的流動(dòng)環(huán)境。從以上對(duì)渦尺度的分析可以猜測(cè)出表面活性劑和縱向微溝槽兩者在減阻機(jī)理上可能具有互補(bǔ)性:兩者的耦合能進(jìn)一步提高表面活性劑溶液的減阻性能,同時(shí)通過(guò)利用活性劑減阻時(shí)形成的平均渦尺度較大的流動(dòng)環(huán)境來(lái)使微溝槽在更寬的雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi)仍有減阻性能,并使微溝槽的減阻尺寸在減阻溶液中得以擴(kuò)大。然而,至今對(duì)兩者的協(xié)同減阻研究很少,因此本文將對(duì)表面活性劑溶液與壁面縱向微溝槽的協(xié)同減阻性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證兩者之間存在互補(bǔ)性的猜測(cè),并分析兩者的協(xié)同減阻機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在如圖1所示的封閉管路中進(jìn)行。二維通道高10 mm、寬125 mm、總長(zhǎng)3 m,由長(zhǎng)1.5 m的測(cè)試段與充分發(fā)展段相連而成。充分發(fā)展段足夠長(zhǎng)以保證測(cè)試段內(nèi)流體已進(jìn)入充分發(fā)展湍流狀態(tài),可通過(guò)更換測(cè)試段來(lái)進(jìn)行光滑或微溝槽通道的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)并聯(lián)的流量計(jì)(閥門(mén)控制)分別對(duì)大流量范圍(>3 m3/h)和小流量范圍(<3 m3/h)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量精度分別為0.01、0.001 m3/h。測(cè)試段壓降ΔP可利用差壓變送器通過(guò)測(cè)量間距L=1.1 m的兩個(gè)測(cè)壓孔得到,差壓變送器的量程為0～10 kPa,測(cè)量精度為5 Pa。流體溫度可以通過(guò)位于儲(chǔ)水箱內(nèi)的精度為±0.1 ℃的6 kW加熱器來(lái)控制。

1:儲(chǔ)水箱;2:攪拌器;3:加熱器;4:離心泵;5:閥門(mén);6:質(zhì)量流量計(jì);7:電磁流量計(jì);8:過(guò)濾器;9:收縮段;10:蜂巢;11:二維實(shí)驗(yàn)通道;12:實(shí)驗(yàn)測(cè)試段;13:差壓變送器;14:擴(kuò)張段圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)使用幾乎不受水中金屬離子影響的陽(yáng)離子型表面活性劑CTAC(分子式為C16H33N(CH3)3Cl,摩爾質(zhì)量為320 g/mol),自來(lái)水用作溶劑。與CTAC等質(zhì)量的NaSal(分子式為C7H5NaO3,摩爾質(zhì)量為160.1 g/mol)被用作平衡離子與CTAC混合溶解于溶液中。表面活性劑溶液用CTAC的溶度作為標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)將在不同溫度和雷諾數(shù)下對(duì)0.22 mmol/L的CTAC溶液進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)。

1.3 微溝槽

實(shí)驗(yàn)中所使用的微溝槽具體參數(shù)見(jiàn)表1。兩個(gè)溝槽面均以半溝槽深度為基準(zhǔn)面,組成高度H=10 mm的二維通道。兩種縱向微溝槽壁面均是通過(guò)銑削方式制成,因溝槽尺寸較小,因此在加工過(guò)程中會(huì)使微溝槽壁面出現(xiàn)不同的粗糙度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所用的微溝槽來(lái)說(shuō),G1溝槽的表面加工質(zhì)量較差,粗糙度較大,而G2溝槽通過(guò)更精細(xì)的操作,從而表面加工質(zhì)量較好。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的兩種尺寸微溝槽的參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理及測(cè)量不確定性分析

實(shí)驗(yàn)中的范寧摩擦系數(shù)Cf和減阻率DR定義為

(1)

(2)

式中:τw表示壁面剪切應(yīng)力;ρ為溶劑密度;W為二維通道的寬度;Ub為流體的平均速度;Cf0表示光滑壁面下的范寧摩擦系數(shù);Cfi表示在溝槽、表面活性劑及兩者同時(shí)存在的情況下的摩擦系數(shù)。

為了更好地對(duì)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論的正確性進(jìn)行評(píng)估,先對(duì)Cfi和DR的不確定度采用如下公式進(jìn)行估算

(3)

(4)

式中Δ表示各個(gè)相關(guān)物理量的不確定度。

2 結(jié)果與討論

2.1 溝槽尺寸對(duì)減阻性能的影響

圖2給出了20 ℃下0.22 mmol/L CTAC表面活性劑溶液分別在光滑通道、G1和G2兩種壁面微溝槽通道內(nèi)的減阻性能和減阻率曲線,也給出了水在這兩種微溝槽通道內(nèi)的性能曲線,并引入Dean擬合的光滑通道內(nèi)的摩擦阻力曲線[8]和Zakin等提出的表面活性劑最大減阻漸近線[9]來(lái)作對(duì)比。由圖2a可知,水在光滑通道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Dean曲線幾乎完全重合,說(shuō)明了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。因此,為了更方便地處理數(shù)據(jù),下文中將用Dean曲線對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)CfD來(lái)代替式(2)中的Cf0作為參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從圖2a還可以看出,G1溝槽在水中沒(méi)有表現(xiàn)出減阻性能,而G2溝槽則表現(xiàn)出了約9%的最大減阻效果。兩者的差異主要是因?yàn)镚1溝槽的尺寸較大且表面粗糙度較大,大尺寸微溝槽無(wú)法有效約束近壁流向渦運(yùn)動(dòng)反而會(huì)增大摩擦面積和阻力,而G2微溝槽的尺寸小,能較好地約束流向渦,故展現(xiàn)出了較好的減阻性能。

從圖2中可以看出,在光滑和兩種微溝槽通道內(nèi)表面活性劑都展現(xiàn)了非常優(yōu)異的減阻性能,且在微溝槽通道內(nèi)減阻性能更好,DRmax從66%(光滑通道)分別提高到71%(G1溝槽)和74%(G2溝槽)。從圖2b的減阻率不確定度曲線可以看出,當(dāng)雷諾數(shù)大于6 000以后,減阻率的不確定度小于3%,表明這種增強(qiáng)效果是真實(shí)有效的。這說(shuō)明微溝槽在一定的條件下能增強(qiáng)表面活性劑的減阻性能,同時(shí)表面活性劑溶液也能放大微溝槽的減阻尺寸。這一發(fā)現(xiàn)可以為擴(kuò)大微溝槽尺寸,從而降低溝槽制造成本和加工難度,提高微溝槽在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值提供新思路,尤其是在非牛頓流體的場(chǎng)合,如石油和化工原料輸送等。

(a)減阻性能

(b)減阻率及不確定度圖2 不同微溝槽下0.22 mmol/L CTAC的性能

2.2 溫度對(duì)減阻性能的影響

(a)光滑通道

(b)G1溝槽通道

(c)G2溝槽通道圖3 不同通道內(nèi)0.22 mmol/L CTAC的減阻性能

圖4 不同通道內(nèi)0.22 mmol/L CTAC臨界雷諾數(shù)與溫度的關(guān)系

圖3為不同溫度的0.22 mmol/L CTAC溶液分別在光滑通道和G1、G2兩種溝槽通道下的減阻性能。從圖3中可知,表面活性劑在3種通道內(nèi)的臨界雷諾數(shù)Rec(減阻率開(kāi)始下降時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù))均隨溫度升高先增后減。這反映了過(guò)大的剪切力致使表面活性劑分子形成的SIS發(fā)生破壞,Rec發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為臨界溫度Tc。當(dāng)TTc時(shí),分子熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈反而會(huì)破壞SIS,此時(shí)較小的剪切能就可破壞SIS,故Rec減小。圖4給出了不同通道內(nèi)0.22 mmol/L CTAC溶液的臨界雷諾數(shù)與溫度的關(guān)系。從圖4可以看出,0.22 mmol/L CTAC溶液在光滑通道內(nèi)和G2通道內(nèi)的Tc約為35 ℃,兩者相差不大,然而G1通道內(nèi)的Tc約為30 ℃,比光滑通道低了5 ℃左右。兩種溝槽通道內(nèi)溶液的臨界溫度差別較大的主要原因仍然是這兩種溝槽的尺寸不同造成的。G1溝槽尺寸較大,會(huì)突入更深層的流體內(nèi)部,導(dǎo)致尖峰處有較高剪切力,能在較低溫度下破壞SIS的動(dòng)態(tài)平衡導(dǎo)致減阻性能下降,因此G1的臨界溫度較低,而G2溝槽對(duì)SIS的影響較小,故其臨界溫度與光滑通道相差不大。同理,臨界雷諾數(shù)也有相似的結(jié)果。

2.3 表面活性劑在微溝槽通道內(nèi)減阻增強(qiáng)機(jī)理分析

縱向微溝槽能約束近壁尺度匹配的流向渦的展向運(yùn)動(dòng)并防止大流向渦侵入槽谷,使槽谷內(nèi)流速、湍流脈動(dòng)和剪切應(yīng)力降低[10-11],該現(xiàn)象稱之為溝槽的“正約束作用”,其對(duì)應(yīng)一個(gè)最匹配的渦尺度,而尺度過(guò)大或過(guò)小的流向渦均會(huì)使“正約束作用”削弱,且當(dāng)微溝槽無(wú)法有效防止絕大多數(shù)流向渦侵入槽谷時(shí),則會(huì)起到增阻效果,此時(shí)溝槽表現(xiàn)為“負(fù)約束作用”。由此可見(jiàn),微溝槽的“約束作用”視情況可正可負(fù)。同時(shí),微溝槽尖峰突入較深層流體內(nèi),受較高速流體沖刷,尖峰附近具有較高的剪切應(yīng)力[12-14],對(duì)減阻不利,我們稱之為溝槽的“第一尖峰作用”。在表面活性劑溶液中,在臨界雷諾數(shù)以前,溝槽尖峰附近較高的剪切應(yīng)力對(duì)SIS的形成會(huì)起促進(jìn)效果,為正作用;當(dāng)超過(guò)臨界雷諾數(shù)后,則會(huì)加速SIS的破壞,為負(fù)作用。我們將這種溝槽尖峰對(duì)減阻溶液的附加作用稱為“第二尖峰作用”,其也可正可負(fù),在水中是沒(méi)有這種作用效果的。以上3種作用(約束作用、第一和第二尖峰作用)可能是影響表面活性劑溶液在微溝槽通道內(nèi)展現(xiàn)減阻強(qiáng)化性能的主要因素。因此,可以用下式來(lái)描述表面活性劑的減阻強(qiáng)化性能DRE

(5)

式中:DRE(=DRgs-DRs)表示溝槽通道內(nèi)表面活性劑溶液的減阻強(qiáng)化性能;DRgs和DRs分別表示表面活性劑溶液在微溝槽通道和光滑通道內(nèi)的減阻率;“+”或“-”號(hào)分別表示這種作用對(duì)于減阻是起到促進(jìn)的或抑制的作用效果。本文的研究只是初步分析這3種主要作用對(duì)表面活性劑溶液在微溝槽通道內(nèi)的減阻強(qiáng)化性能的可能影響。

為了分析上述3個(gè)主要因素對(duì)表面活性劑溶液在微溝槽通道中減阻強(qiáng)化性能的影響,用20 ℃下0.22 mmol/L CTAC溶液在G2通道內(nèi)的減阻性能來(lái)進(jìn)行更直觀的分析,如圖5所示。

圖5 20 ℃下0.22 mmol/L CTAC在G2通道內(nèi)的減阻性能

從圖2b中的減阻率不確定度曲線可知,當(dāng)Re<6 000時(shí),因流速較小,測(cè)量誤差較大,且接近過(guò)渡區(qū)時(shí)減阻性能曲線變化大,故本文主要針對(duì)Re>6 000時(shí)的曲線變化進(jìn)行分析。如圖5所示,點(diǎn)A為分析的起點(diǎn),也是階段I的起點(diǎn),DRE曲線大致可以分為4個(gè)階段。圖6給出了DRE曲線各階段可能的渦與微溝槽尺寸間的對(duì)比,用來(lái)作為輔助分析。

(1)點(diǎn)A:①圖5中CTAC曲線在點(diǎn)A對(duì)應(yīng)位置的減阻率處于增加狀態(tài),據(jù)早期研究,溶液此時(shí)表現(xiàn)為剪切增稠狀態(tài),表觀黏度增加,比水大[15],故點(diǎn)A具有較強(qiáng)的負(fù)的第一尖峰作用;②CTAC曲線在點(diǎn)A對(duì)應(yīng)位置具有較大斜率,意味著雷諾數(shù)的增大對(duì)減阻率的影響相對(duì)較大,對(duì)SIS的附加作用較強(qiáng),即該點(diǎn)處具有較強(qiáng)的第二尖峰作用,又因此時(shí)Re

圖6 各階段近壁流向渦的發(fā)展變化

(2)階段I:類似點(diǎn)A的分析,①由圖5可知,階段I溶液仍表現(xiàn)為剪切增稠狀態(tài),故雷諾數(shù)的增大不僅使溶液表觀黏度逐漸增大,也使溝槽尖峰上方的速度梯度增大,故第一尖峰作用不斷增強(qiáng);②該階段Re

(3)階段II:①?gòu)膱D5中可知,該階段的CTAC曲線減阻率隨雷諾數(shù)增大迅速減小,說(shuō)明溶液表現(xiàn)為剪切稀化狀態(tài),表觀黏度變小但仍然比水大,但因此時(shí)流速很高,溝槽尖峰處的速度梯度很大,故第一尖峰作用依然是不斷增強(qiáng)的;②此階段第二尖峰作用因Re>Rec而轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u增大的負(fù)作用;③該階段的SIS隨Re的增大逐漸被破壞,表面活性劑對(duì)小渦的抑制作用逐漸變?nèi)?近壁小尺度渦數(shù)量逐漸增多,但尺度匹配的渦的數(shù)量仍占優(yōu),故此階段的約束作用效果在不斷減弱,但仍為正,最終使得階段II的DRE曲線逐漸減小至0(點(diǎn)C處)。

(4)階段III:該階段對(duì)兩種尖峰作用的分析與階段II相同,但因雷諾數(shù)更大,小尺度渦已占主導(dǎo),故階段III表現(xiàn)出負(fù)的約束作用,且負(fù)效果不斷增強(qiáng),如圖6所示,最終使得階段III的DRE值變成負(fù)數(shù),并不斷變小,最后有可能低于水在微溝槽通道內(nèi)的性能曲線(即“水+G2”曲線)。

(5)階段IV:①?gòu)膱D5中可知,該階段的CTAC曲線減阻率很小,溶液物性隨Re的增大逐漸趨于水的物性,故第一尖峰作用隨雷諾數(shù)增大而逐漸增強(qiáng),但卻逐漸向相同Re下的溝槽在水中表現(xiàn)的作用效果趨近;②該階段CTAC曲線變化漸緩,故第二尖峰作用的負(fù)效果逐漸減弱,并隨著溶液物性趨于水的物性而最終消失;③同理,約束作用的負(fù)作用也逐漸趨于溝槽在水中的效果,最終使得階段IV中的DRE曲線不斷趨近“水+G2”曲線。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)已有的表面活性劑和微溝槽的減阻機(jī)理進(jìn)行分析,推測(cè)兩者減阻機(jī)理存在互補(bǔ)性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí),所得主要結(jié)論如下。

(1)微溝槽在水中的減阻主要?dú)w因于其自身對(duì)流向渦的“約束作用”及溝槽尖峰提供的“尖峰作用”這兩個(gè)主要因素的相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,而表面活性減阻劑在微溝槽通道內(nèi)的減阻增強(qiáng)效果則是由微溝槽本身具有的“第一尖峰作用”和“約束作用”,以及溝槽尖峰對(duì)表面活性劑溶液提供的附加的“第二尖峰作用”3個(gè)主要因素相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

(2)表面活性劑溶液能放大微溝槽的減阻尺寸,即在水中已失去減阻性能的尺寸較大的G1微溝槽在表面活性減阻劑溶液中仍能展現(xiàn)減阻性能,微溝槽減阻尺寸的擴(kuò)大能降低制造成本和加工難度,提高了微溝槽在實(shí)際應(yīng)用中的潛在價(jià)值。

(3)本文實(shí)驗(yàn)中,表面活性劑溶液在G1通道內(nèi)的臨界溫度和臨界雷諾數(shù)比在G2通道內(nèi)的要小,而表面活性劑溶液在G2通道內(nèi)的臨界溫度和臨界雷諾數(shù)與其在光滑通道內(nèi)基本相同。