中低濃度CTAC表面活性劑水溶液圓盤減阻實驗研究

田 偉，龐明軍

(常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

我國經濟的高速發展，導致能源消耗也急劇增加。因此，開發和應用新能源，以及開發節能技術迫在眉睫。目前，已開發了許多新能源應用技術，如太陽能房[1]、風系統發電[2]等。在流體運輸方面，研究者們發現添加劑(如表面活性劑、高分子聚合物等)湍流減阻是一種有效的節能技術。比如在流體中僅添加微量(ppm級)的表面活性劑，就可以抑制湍流渦、減小摩阻，從而降低動力裝置的能耗達到節能減阻的效果[3]。而且表面活性劑相比于高分子聚合物，具有減阻效果更好、減阻溫度范圍更廣、機械降解后可以自行恢復等優點，故備受減阻研究者的青睞[4]。

到目前為止，關于內流(如槽道和管道)減阻的研究數不勝數，為了拓寬表面活性劑在外流(如旋轉機械)中的應用，國內外學者使用旋轉圓盤減阻裝置(RDA)對不同表面活性劑溶液進行了減阻實驗研究如下。Satoshi等研究了陽離子表面活性劑Ethoquad O12溶液的減阻性能[5]，在50～200 ppm濃度范圍內最大減阻率可達30%。Wu等測試了在10～40 ℃溫度范圍內Ethoquad O12溶液的減阻效果，并將其與管道減阻相比較[6]，發現在相同條件下，最大減阻率分別為47%和67%，RDA的較低。Kim等在轉速為1 500～2 000 rpm的范圍內測量了丙烯酸和十二烷基硫酸鈉(SDS)混合溶液的減阻率[7]，結果表明隨著SDS濃度的增大，溶液的減阻率由15%逐漸升高到了35%。Musaab和Mohamad等分別研究了表面活性劑SDS、SLES和高分子聚合物PIB的單獨添加，以及它們復合添加對柴油減阻性能的影響[8-10]；結果表明SDS溶液、SLES溶液和PIB溶液的最大減阻率分別為8.03%、29.5%和27.36%，而SDS和PIB、SLES和PIB復合添加的最大減阻率分別為21.45%和38.42%。Sarmad等研究了表面活性劑SDBS加入到高分子聚合物PEO溶液中對減阻效果的影響[11]，發現低濃度PEO溶液加入較高濃度SDBS、較高濃度PEO溶液加入低濃度SDBS減阻效果更好。有關管道和槽道方面的減阻進展可參閱文獻[12-14]。

隨著研究的深入，國內外學者已著手于湍流復合減阻的研究，但限于影響減阻率的因素(如圓盤大小、溫度、雷諾數、表面活性劑種類以及反粒子和表面活性劑的濃度比等)較多[15]，減阻機理也仍未有定論。特別是對圓盤減阻的認識非常有限，機理解釋不盡相同，故有待進一步的研究。

1 實驗試劑與裝置

1.1 實驗試劑與溶液制備

陽離子表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨溶液(CTAC)具有減阻效果好、熱穩定性高的優點，而反離子鹽水楊酸鈉(NaSal)的加入能夠中和CTAC頭基上的陽離子、形成穩定的膠束結構。故選取減阻溶液為陽離子表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)和水楊酸鈉(Nasal)的混合物，二者以質量比1∶1進行配制。其中十六烷基三甲基氯化銨(相對分子質量為320 g/mol)購置于上海思域化工科技有限公司，水楊酸鈉(相對分子質量為160.1 g/mol)購置于上海麥克林化工有限公司，均為質量分數大于99%的分析純。實驗時，未對樣品做進一步純化處理，而是直接將其溶于蒸餾水配置成等質量濃度的溶液。并充分攪拌后靜置3天左右使溶液達到完全平衡，再進行減阻實驗的測定。

1.2 實驗裝置

旋轉圓盤減阻裝置結構示意圖和實物圖如圖1所示。其主要由水浴循環系統、電機、旋轉圓盤、速度控制器和電腦5個部分組成。

圖1 旋轉圓盤減阻裝置圖

其中盛液槽為帶夾套的圓柱形玻璃容器，內筒直徑為180 mm、軸向深度為65 mm。夾套結構是為了將循環水注入控制測試溶液的溫度。不銹鋼圓盤直徑為100 mm、厚度為3 mm，其與不銹鋼轉軸直接焊接。旋轉軸由聯軸器與電機相聯，裝置上設有扭矩傳感器。扭矩傳感器量程為0～3.39 N·m，精度為0.000 1 N·m。電機型號為WB3000-D，轉速為0～3 000 r/min，電機調節精度為±10 r/min。為了調節表面活性劑減阻溶液的溫度，通過軟管將循環水域與盛液槽的夾套連接。循環水域購置于上海方瑞儀器有限公司，型號為DC/HDC0506，控溫范圍為-5～99.99 ℃，控溫精度為±0.01 ℃。

1.3 實驗工況設置

目前僅對中低濃度CTAC/NaSal水溶液進行減阻實驗，濃度范圍為30～150 ppm，具體測量濃度分別為30 ppm，50 ppm，75 ppm，100 ppm和150 ppm。根據文獻[16～17]，當旋轉雷諾數Re>3×105時，流動才能進入湍流狀態。因此，測量雷諾數范圍取為3×105～5.5×105。因CTAC/NaSal水溶液能夠形成膠束的最低溫度(Krafft點)為9 ℃[18]，而溫度過高時溶液中的膠束會發生分解，導致減阻消失，所以測量溫度范圍設為10～60 ℃，步長為10 ℃。

1.4 減阻率計算

表面活性劑溶液只有達到湍流狀態才能產生良好的減阻效果，所以應首先計算表面活性劑溶液的旋轉雷諾數Re，其計算式為

Re=ρr2ω/μ

(1)

式中ρ——試驗溫度下流體的密度/kg·m-3；

μ——流體的動力黏度/Pa·s；

ω——圓盤的角速度/rad·s-1；

r——圓盤半徑/m。

在同一雷諾數和溫度下，分別測量純水和CTAC/NaSal減阻溶液的扭矩值，根據式(2)可計算出表面活性劑溶液的減阻率DR%

(2)

式中Ts——純水的扭矩值/N·m；

Tp——CTAC/NaSal減阻溶液的扭矩值/N·m；

DR%——CTAC/NaSal溶液的減阻率。

2 實驗結果分析和討論

2.1 旋轉圓盤裝置可靠性驗證

為了驗證裝置的可靠性，在20 ℃下對純水的黏性扭矩進行了測量，然后將其與理論值進行對比。理論值可由下式計算獲得[19]

(3)

式中T——扭矩/N·m；

ρ——純水的密度/kg·m-3；

μ——純水的動力黏度/Pa·s；

r——圓盤半徑/m；

s——圓盤上表面距容器內壁的軸向距離/m；

Re——雷諾數。

將測量值與理論值進行對比，如圖2所示，雷諾數較高時，純水黏性扭矩的測量值與理論值基本重合。但雷諾數較低時，誤差變大，最大偏差約8.5%。產生誤差的原因除了儀器的機械誤差外，還可能是由于在湍流中圓盤邊緣處會形成徑向射流沖擊壁面，使樣品槽內溶液的垂直邊界層的不穩定性增強從而引起局部波動，這種局部波動最終會引發整個流域的強烈波動導致測量誤差的產生。而隨著雷諾數的增加，在較大旋轉離心力的抑制下，射流減弱，波動會逐漸變得穩定。總而言之，目前使用的旋轉圓盤減阻裝置的測量誤差較小，滿足要求。

圖2 20 ℃時純水扭矩的實驗值與理論值

2.2 濃度對CTAC/NaSal水溶液減阻影響分析

首先研究了不同溫度下，CTAC/NaSal表面活性劑水溶液濃度對減阻率的影響。為了便于分析對比，將低濃度(30 ppm、50 ppm和75 ppm)和中等濃度(100 ppm和150 ppm)減阻溶液有效減阻溫度下的測量結果分開放置，如圖3和圖4所示。

圖3 10～30 ℃ CTAC/NaSal溶液減阻率隨濃度的變化

圖4 10～50 ℃ CTAC/NaSal溶液減阻率隨濃度的變化

從圖3可以看出，對于低濃度減阻溶液，其減阻率并不是隨著減阻溶液濃度的升高而增大，而是同時受濃度、溫度和雷諾數三者相互且復雜的影響。比如對于不同的測量溫度，減阻率隨濃度和雷諾數的變化趨勢是不同的，特別是測量溫度為30 ℃的結果明顯不同。但一個共同點是75 ppm減阻溶液的減阻率基本最高，僅在10 ℃高雷諾數時低于30 ppm減阻溶液。

圖3(a)為10 ℃時低濃度減阻溶液減阻率的測量結果，減阻率均隨著雷諾數的增大而減小。在同一雷諾數下，減阻率基本上隨濃度的升高呈先減小后增大的趨勢，其中30 ppm減阻溶液均大于50 ppm減阻溶液；當Re>4.8×105時，甚至大于75 ppm減阻溶液的減阻率。

圖3(b)為20 ℃時的測量結果，雷諾數對減阻率的影響與10 ℃時基本相似，而濃度對減阻率的影響明顯與雷諾數有關。當雷諾數Re<3.8×105時，減阻率隨濃度的升高而增大；當雷諾數Re>3.8×105時，減阻率隨濃度的升高先減小而后增大。圖3(c)為30 ℃時的測量結果，減阻率均隨著雷諾數的增大先增大后減小，似乎存在一個最佳減阻雷諾數；在同一較高雷諾數(Re>4.4×105)時，減阻率均隨減阻溶液濃度的升高而增大。當雷諾數較低(Re<4.4×105)時，30 ppm和50 ppm減阻溶液的減阻率基本相同，而75 ppm減阻溶液的減阻率明顯較高。

從圖4可以看出，對于中等濃度減阻溶液，其減阻率基本上是隨著減阻溶液濃度的升高而增大，且均在濃度為150 ppm時取得最大減阻率，但同時也受溫度和雷諾數的影響。如在10 ℃下、雷諾數較低時，100 ppm減阻溶液的減阻率更大。相比于150 ppm，100 ppm減阻溶液的減阻率受溫度和雷諾數的影響更加復雜。特別是測量溫度為20 ℃的結果，其減阻率隨雷諾數的增加表現出先增大后減小的特點。

圖4(a)為10 ℃時中等濃度減阻溶液減阻率的測量結果，與低濃度減阻溶液不同的是其減阻率基本隨著雷諾數的增大而增大。作為中低濃度過渡的100 ppm減阻溶液，減阻率增加的不明顯。

圖4(b)為20 ℃時的測量結果，150 ppm減阻溶液減阻率的變化與10 ℃時相似，而100 ppm減阻溶液的減阻率隨雷諾數的增加先增大后減小。圖4(c)為30 ℃時的測量結果，在低雷諾數時，兩者減阻率大小相同或相近；隨著雷諾數的增加，兩者減阻率都在增加，而150 ppm減阻溶液的減阻率增加的幅度更大，但均取得所有溫度下的最大減阻率，似乎說明存在一個最佳減阻溫度。圖4(d)和4(e)分別為40 ℃和50 ℃時的測量結果，與30 ℃相比，相同雷諾數下的減阻率均在減小，且在所測的減阻雷諾數范圍內，減阻率波動幅度變小。

為了進一步研究濃度對減阻率的影響，圖5給出三個固定雷諾數下，不同溫度時減阻率隨濃度的變化。由圖可知，隨著雷諾數的增加，不同溫度下減阻率的變化幅度受濃度的影響在增大，且減阻率隨濃度升高而增大的趨勢逐漸明顯。這進一步說明濃度對減阻溶液減阻效果的影響和雷諾數有關。

圖5 不同雷諾數不同溫度下減阻率隨濃度的變化

圖5(a)為低雷諾數(Re=326 660)不同溫度下減阻溶液減阻率隨濃度的變化，減阻率基本隨濃度升高先增大后減小，且均在75 ppm取得最大減阻率(除50 ℃外)。當濃度較高時，溫度的影響不明顯，減阻率近似相等。圖5(b)為中間雷諾數(Re=431 190)時減阻率的變化，和低雷諾數相比，減阻率整體上隨濃度升高而增大，而隨溫度的波動幅度明顯減小，當溫度達到50 ℃時，減阻率隨濃度的升高單調遞增。圖5(c)為高雷諾數(Re=535 720)時減阻率的變化，減阻率基本隨濃度升高而增大，當濃度較低時，溫度對減阻率的影響很小。

2.3 溫度對CTAC/NaSal水溶液減阻影響分析

上述分析表明，溫度對CTAC/NaSal表面活性劑水溶液減阻率的影響也十分復雜。由于低濃度(30 ppm、50 ppm和75 ppm)以及中等濃度(100 ppm和150 ppm)CTAC/NaSal水溶液減阻率隨溫度的變化趨勢分別相似，故以濃度為75 ppm和150 ppm的CTAC/NaSal水溶液為例進行分析，測量結果見圖6和圖7。

圖6 溫度對75 ppm CTAC/NaSal溶液減阻的影響

圖7 溫度對150 ppm CTAC/NaSal溶液減阻的影響

由圖6可知，對于低濃度減阻溶液，其最大減阻率隨溫度的升高而逐漸減小，當溫度達到50 ℃(30 ppm和50 ppm達到40 ℃)時，基本失去減阻效果。且溫度對減阻率的影響明顯與雷諾數有關。當雷諾數較低時，減阻率隨溫度的升高而減小；當雷諾數較高時，減阻率隨溫度的升高先增大后減小。另外，值得注意的是在30 ℃時，在較大的雷諾數范圍內都取得較高的減阻率。

由圖7可知，對于中等濃度減阻溶液，所測雷諾數下減阻率均隨溫度的升高先增大后減小，60 ℃時基本失去減阻效果。最大減阻率和溫度的關系隨雷諾數在變化：較低雷諾數(Re<3.8×105)下，減阻溶液在20 ℃時取得最大減阻率，其他溫度的減阻率均降至最低且大小基本相同；較高雷諾數(Re>3.8×105)下，減阻溶液在30 ℃時減阻率達到最大值。

為了進一步研究溫度對減阻率的影響，圖8給出三個固定雷諾數下，不同濃度減阻溶液減阻率隨溫度的變化。由圖可知，隨著雷諾數的增加，不同濃度下減阻率的變化幅度受溫度的影響在減小，且減阻率隨溫度升高而減小的趨勢逐漸減弱。圖8(a)為低雷諾數(Re=326 660)時不同濃度減阻溶液減阻率隨溫度的變化，減阻率基本隨溫度的升高而減小(除150 ppm外)。圖8(b)為中間雷諾數(Re=431 190)時減阻率的變化，減阻率整體上仍隨溫度升高而減小(除150 ppm外)，但150 ppm減阻溶液的減阻率受溫度的影響變小。圖8(c)為高雷諾數(Re=535 720)下減阻率的變化，隨溫度的升高減阻率先增大后減小，這進一步表明似乎存在一個最適減阻溫度。

圖8 不同雷諾數不同濃度下減阻率隨溫度的變化

2.4 減阻現象分析

表面活性劑CTAC/NaSal水溶液的減阻效果受濃度、溫度和雷諾數的影響錯綜復雜，并非簡單的線性關系。其中濃度是最直接的影響因素。在有效減阻濃度范圍內，隨著濃度的升高，一方面會增加減阻溶液的表觀黏度，導致流動阻力增大；另一方面會增加溶液中表面活性分子的數量，促進減阻膠束的形成，甚至會形成膠束網狀結構，增強減阻效果。對于中低濃度減阻溶液，濃度的增大不會導致溶液表觀黏度的急劇增大，所以不會出現減阻率隨濃度升高而快速減小的現象。而在圖3(a)和(b)以及圖4(a)中低濃度減阻溶液的減阻率反而更高，可能是受濃度、溫度和雷諾數(剪切率)協同作用而引起的特殊現象。除此以外，圖3和圖4中減阻率均隨濃度的升高而增大，圖5(c)的結果也佐證了上述觀點。

溫度是研究表面活性劑減阻效果不可忽略的一個因素。溫度的升高，一方面加劇了表面活性劑分子的布朗熱運動，增大碰撞幾率、利于棒狀膠束的形成，而且還能降低溶液的表觀黏度，促進減阻；另一方面也增加了膠束的斷裂能，增大棒狀等減阻膠束結構的分解幾率，降低減阻效果。正是由于溫度對減阻效果影響的雙面性，在圖6和圖7中，較高雷諾數下75 ppm和150 ppm減阻溶液的減阻率隨溫度的升高呈現先增大后減小的現象。

值得注意的是，30 ppm和50 ppm減阻溶液在40 ℃時基本喪失減阻效果，75 ppm減阻溶液在50 ℃時基本失去減阻效果，而100 ppm和150 ppm減阻溶液在60 ℃時基本失去減阻效果。也就是說隨著濃度的升高，減阻溶液有效減阻臨界溫度也在升高。這可能是由于高溫會導致表面活性劑膠束破壞而失去活性，而濃度越低，能夠抵抗溫度破環的能力越弱，越容易在相對低溫下失活。

另外，雷諾數的改變意味著溶液內部結構所受剪切力的變化。雷諾數增加即剪切力增大，一方面能促進溶液中表面活性劑分子碰撞、結合為棒狀膠束，棒狀膠束在剪切作用下能夠形成剪切誘導網狀結構(SIS)，極大增強減阻效果；另一方面高的剪切應力又會破壞膠束網狀結構，使膠束等結構斷裂和分解，使減阻效果下降。在圖3(c)中75 ppm和圖4(b)中100ppm減阻溶液的測量結果印證了該現象。有學者指出[20]，存在一個臨界減阻雷諾數Rec。當ReRec時，高雷諾數增大了棒狀膠束和膠束網狀結構的強度，其抵抗由溫度升高而引發的布朗熱運動造成破壞的能力增強，進而降低溫度對減阻效果的影響，正如圖5和圖8所示。

3 結論

用旋轉圓盤裝置對中低濃度CTAC/NaSal水溶液的減阻率進行了測量，測量結果表明：

(1)不同溫度下，濃度對減阻溶液減阻率的影響與雷諾數有關：低雷諾數下，減阻率隨濃度升高先增大后減小；隨著雷諾數增加，減阻率整體上隨濃度升高而增大，且高雷諾數下濃度的影響占主導地位。

(2)不同濃度下，溫度對減阻溶液減阻率的影響與雷諾數相關：低雷諾數下，減阻率隨溫度的升高而減小(除150 ppm外)，且溫度的影響占主導地位；隨著雷諾數增加，減阻率隨溫度升高先增大后減小。

(3)雷諾數直接或與濃度、溫度相互作用間接影響減阻溶液的減阻效果。低濃度減阻溶液(除30 ℃外)的減阻率隨雷諾數的升高快速減小，中等濃度減阻溶液的減阻率隨雷諾數的升高而增大。

(4)隨著減阻溶液濃度的升高，最高減阻率增大，有效減阻臨界溫度升高。