表面活性剂溶液与壁面纵向微沟槽协同减阻研究

采用直接数值模拟方法对表面活性剂溶液在不同尺寸宽肋矩形微沟槽通道内的湍流流动进行了数值模拟研究。结果表明表面活性剂溶液的减阻性能在合适尺寸的微沟槽通道内能进一步得到强化,同时微沟槽的最优减阻尺寸在表面活性剂溶液中也可以得到放大;表面活性剂溶液在微沟槽通道内的协同减阻强化效果是由微沟槽的“约束作用”和“尖峰作用”这两个主要因素相互博弈的结果。微沟槽尖峰处具有较高的剪切应力,槽谷内部剪切应力很小。当微沟槽能有效防止近壁湍流涡侵入槽谷内部,且又能对部分流向涡的展向运动起到较好的约束作用时,微沟槽将表现出减阻强化性能,反之则会出现增阻性能。微沟槽在槽谷内诱导的数量多、尺寸小且旋转强度弱的二次流向涡是其在表面活性剂溶液中能增大“约束作用”和发挥减阻强化性能的本质因素。     

壁面微沟槽与表面活性剂耦合对管道中湍流减阻特性的影响

通过矩形管道压降实验研究了壁面微沟槽和表面活性剂的减阻性能及联合减阻的增益效果,用粒子成像测速仪分析了流场特性。实验所用的微沟槽为3种不同结构的顺流向V形沟槽,表面活性剂为十六烷基三甲基氯化胺(CTAC),水杨酸钠(NaSal)作为补偿离子。结果表明,壁面微沟槽和表面活性剂溶液均有减阻效果,二者耦合后减阻率进一步提升,最高减阻率为48.26%。微沟槽的减阻性能主要作用在近壁区,通过影响边界层平均流速、速度脉动强度和涡结构,减少表面活性剂的湍动能损耗。当超过表面活性剂的临界雷诺数后,沟槽尖端的高剪切力会加剧胶束结构分解。表面活性剂能抑制湍流涡的演变,扩大微沟槽有效减阻的雷诺数范围。     

湍流边界层内表面活性剂减阻特性研究

湍流主要通过边界层流体与壁面的摩擦引起的,因此,研究表面活性剂的流向上边界层内湍流减阻性非常有意义,通过压降和粒子图像测速法分别研究了质量分数为10×10~(-6),50×10~(-6)和100×10~(-6)下的表面活性剂溶液与水的压降、范宁系数、减阻率、平均速度、速度分布云图、雷诺应力、涡量和涡量分布云图,实验发现:在表面活性剂的壁面范宁系数要比水时壁面的范宁系数要小,在质量分数为50×10~(-6)时减阻效果最好,最大减阻率为20%。得出结论:表面活性剂的加入使湍流边界层的厚度增加,雷诺切应力减小,在靠近管道的中心处的涡量最小,随着远离管道的中心,涡量缓慢地增大,近壁区的涡量降低,表面活性剂的减阻溶液的涡量比水的涡量稍微大一点,说明主要抑制管道中心区域的湍流强度来降低阻力,从而达到减阻效果。     

表面活性剂湍流减阻研究进展

表面活性剂较高分子聚合物在流体管道输运中具有可逆机械降解特性的优点,更适用于存在高剪切的场合以及封闭的循环回路进行减阻,但存在对其复杂流变特性及减阻机理认识不完善的问题,使得其在减阻领域的应用受到了限制。本文回顾了作者近年来在表面活性剂溶液微观结构、复杂流变学特性、湍流结构以及其与减阻和传热性能之间的内在联系方面的研究进展;介绍了表面活性剂减阻和壁面微沟槽协同作用减阻的研究成果;指出通过拉伸流的方式能够在压损较小的情况下更有效地提高表面活性剂溶液的传热性能。针对表面活性剂现有研究的不足,本文提出4条建议作为表面活性剂的未来研究方向,分别为开发环境友好型高效表面活性减阻剂、强化换热装置的优化设计及优化布置、表面活性剂与其他减阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性剂在尺度放大、防腐和减阻持久性方面的实际工业应用研究。     

一种新型两性界面活性剂的减阻特性

对一种新合成的两性界面活性剂N,N,N-三甲胺-N′-油酸酰亚胺在二维通道内的减阻特性进行了实验研究.为了能进行低温测试,以20%的甘醇不冻液为溶剂.溶液质量浓度范围为（5×10^-5）～（1×10^-3）,测试温度为-5℃和25℃.用粒子成像测速仪对减阻流动的湍流特性进行了测量.实验表明,这种新型界面活性剂溶液呈现明显减阻特性,且减阻特性与浓度和温度均有很大的关系,最大减阻值可高达83%.该界面活性剂中加入NaNO₂,在低温和低浓度条件下能有效改善减阻效果,而在常温和高浓度条件下反而降低减阻效果.添加界面活性剂抑制了湍流速度脉动和湍流涡脉动,使雷诺剪切应力完全消失.     

表面活性剂湍流减阻研究进展

从三方面详细阐述了国内外在表面活性剂湍流减阻研究取得的进展,包括表面活性剂溶液物理特性、流变特性、表面活性剂流体湍流减阻和传热特性。在对表面活性剂湍流减阻和传热的相关研究方面,分别从实验和数值模拟的角度进行论述。最后,在提出开发新的表面活性剂添加剂的同时,对进行表面活性剂减阻的研究趋势进行了展望。     

消防用PEO/OTAC/NaSal减阻体系的介观分子动力学分析

在全球能源紧张的背景下,“过程节能”手段的探索具有重要意义。消防工作在国民经济和社会发展中占据重要地位,将添加剂湍流减阻技术引进到消防系统,能提高消防水的射出速度和射程,在提高灭火效率的同时节省水泵功耗。根据消防水流特点,初步选定聚氧化乙烯/十八烷基三甲基氯化铵的聚合物/表面活性剂复配体系作为研究对象,借助介观分子动力学模拟手段,计算了此体系的抗剪切能力及表面张力。发现此体系的抗剪切能力较聚合物、表面活性剂单一体系有明显提升,且体系的表面张力较纯表面活性剂溶液有所提高,初步证明此体系适用于消防减阻。同时从分子动力学角度深入分析了复配体系内聚合物、表面活性剂分子之间的作用机制,可为进一步寻找适用于消防减阻的聚合物/表面活性剂复配添加剂体系提供理论指导。     

阶梯式T型微通道内液滴、气泡分散规律

采用高速摄像仪对嵌入毛细管的阶梯式T型微通道内液滴和气泡的分散规律进行研究。考察了两相流量、黏度、表面活性剂浓度等因素对分散流型及分散尺寸的影响规律。结果表明，对于液滴分散过程，表面活性剂的浓度和连续相流量决定了分散流型，随二者增大，流型从dripping流向jetting流转变。对于气泡分散过程，实验范围内仅存在squeezing、dripping流型，表面活性剂的加入对气泡分散过程影响可忽略。嵌入毛细管的阶梯式T型微通道内获得的液滴、气泡直径小于微通道直径，根据实验结果基于两相流量和毛细管数分别建立了计算液滴、气泡分散尺寸的半经验模型，模型与实验结果符合良好。     

基于仿生学的强化传热与减阻技术研究进展

换热器优化设计对于提高设备能源利用率、缓解化工电力、航空动力等工业领域的能源短缺与余热浪费等问题具有重大意义。近年来,基于生物体表面形貌及其具备的功能,运用仿生学理论开发强化传热与流动减阻技术表现突出。本文主要综述了以仿生结构为优化设计参考,有关单相、相变强化传热以及沟槽、凹坑凸包、超疏水等流动减阻技术的研究进展,分析和总结了各类仿生结构的强化传热及减阻机理;结合微尺度高效传热的发展趋势,指出目前微尺度仿生结构研究仍停留在简化形仿阶段,结构优化方向不明确,结构参数影响规律以及传热减阻机理未有统一定论。基于微尺度对流传热高阻耗特点,本文提出了高效低阻耦合仿生结构设计以及综合性能研究的必要性,为微通道换热器优化设计提供有益指导与发展方向。     

旋风除尘器减阻节能增产技术

通过安装在旋风除尘器内的减阻杆,可以在保证分离效率的前提下降低流动阻力。分别采用5孔球形探针、激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪对旋风除尘器内安装减阻杆前后的时均流场与湍流场进行了测量,发现减阻杆降低了流场中与粉尘分离无益的内旋流切向速度,削弱了中心区域的湍流强度,使湍流耗散减弱,从而实现压降降低达到减阻目的。根据流动参数的变化,分析了减阻杆的减阻机理,提出了"加涡减阻"的假设。并介绍减阻杆在工业上的应用实例。     

提高表面活性剂减阻溶液传热研究进展

分析总结了表面活性剂减阻溶液的传热特性和提高传热特性的方法,介绍了各种方法提高传热的机理。对各种方法取得最佳效果作了比较,分析了各种方法的影响因素及优缺点。分析表明,表面活性剂溶液与水的温度分布不同,存在双热边界层,热阻不在近壁层,是在10<y⁺<100的过渡层;提高传热的方法可概括为破坏胶束结构、制造湍流和强化传热的过程。同时,对今后改善传热提出了自己的看法。     

布置成涡结构微混合器内的流动与混合特性

基于成涡结构强化混合原理设计了一种改进型的平面被动式微混合器。采用商业软件CFD-ACE+对该结构微混合器的混合特性进行了三维数值模拟和结构优化,进一步揭示该微混合器结构对通道内流体流动与混合特性的影响。结合混合通道内流体的浓度和流型分布的数值和实验结果可知,该新型微混合器在布置成涡结构的弯曲通道内形成了扩展涡、分离涡和Dean涡,实现了涡系的叠加和强化,加大了流体间的扰动,从而增加了流体的接触面积强化混合;在综合考虑流体混合强度和压降分布等因素下,成涡结构正向布置且缝宽比W_d/W=1/4,厚宽比B/W=3/10,布置角度θ_a=120°的该微混合器在较广Re范围内的混合效果显著。     

《化工学报》2006年第57卷第11期目次

传递现象表面活性剂添加对歧管式微通道阻力特性的影响三维翅片管外螺旋流动传热强化过渡状冷凝传热模型三种内翅片管管内流动与换热特性矩形窄通道内带纵向涡发生器的传热强化管内周期性自旋流强化传热的结构优化碳纳米管悬浮液在重力热管中的沸腾特性振动力场作用下的单螺杆挤出机固体输送理论水平细圆管内非共沸混合工质的流动沸腾高压下高比表面丝网规整填料传质性能的测试多相流水平管内气液两相泡状流进口段壁面切应力同轴双通道气流式雾化喷嘴初次雾化过程催化、动力学与反应器金属卟啉负载炭黑电催化剂氧还原性能Mn、Fe取代六铝酸…     

铝基矩形微通道表面能的实验研究

换热材料的表面特性对换热性能有较大的影响,低表面能特性对材料的强化传热有很好的提升作用。文中采用JY-82A视频接触角测定仪测量去离子水、乙二醇、甲酰胺3种不同测试液在铝基矩形微通道内侧表面及外表面所形成的接触角,基于Thomas Young理论计算不同基准液在铝基矩形微通道内侧表面及外表面的表面能,为后序研究制冷剂在微通道内的沸腾传热提供理论依据。实验研究得出:铝基矩形微通道内侧表面能在5.6×10~6—6.6×10~6J/m~2之间,外表面表面能为11.2×10~6J/m~2,通过线切割加工的铝基微通道内侧表面的表面能比外表面的表面能低45.8%;铝基矩形微通道的表面能属于低表面能范畴,有利于制冷剂的强化传热。     

分相式多孔壁微通道流动冷凝传热强化与减阻

微通道换热器应用广泛,强化传热和减阻是新型换热器设计的重要目标。为了同时实现这两相目标,本文提出了一种分相式多孔壁微通道冷凝器,利用微针肋阵列组成的多孔壁在冷凝传热过程中实现了汽液两相分离。采用实验研究方法对比了分相式多孔壁微通道与普通实心壁微通道的流动和传热特性,结果证明分相式微通道在冷凝传热中同时具备强化传热和减阻的作用。深入研究了通道内两相流动摩擦耗散原理并提出了相分离减阻理论,指出汽液两相流内部摩擦耗散的减小是分相流减阻的关键。另一方面,分相过程使针肋换热面侧壁直接与高温蒸汽接触,极大消减了蒸汽与换热壁面之间的传热液膜厚度。沿流动方向不断扩展的液通道截面与不断减缩的汽通道截面积适应了流动冷凝过程延工质流动方向"水渐多,汽渐少"的规律,保证沿程传热效果不会恶化。     

微通道内表面活性剂与界面传递现象研究进展

表面活性剂在微流体应用中具有重要作用,常伴随动态界面传递现象。综述了微通道内含表面活性剂的多相流研究进展,剖析了液滴尺寸、液体流变性、压力降与微流体中动态界面张力的关系。总结了表面活性剂作用下的界面传递现象,如气泡及液滴的生成、运动、形变、破裂和聚并动力学的研究进展。综述了微流体中表面活性剂的吸附动力学,对该领域的发展方向进行了展望。     

凹槽表面的流动与传热特性

采用大涡模拟对底面为凹槽的矩形通道内湍流流动与传热特性进行了研究,为验证所采用数值方法的准确性与可靠性,将平直矩形通道内模拟结果与文献中的直接数值模拟结果进行了比较,换热面Nusselt数与采用Dittus-Boelter公式计算所得Nu进行了比较,计算误差小于5%。以凹槽表面为底面的矩形通道的数值模拟结果表明:通道底面的凹槽结构改变了凹槽表面处流动结构,不同的凹槽高度和长度对流动阻力和换热效果的影响不同,在特定的几何参数下,与平直矩形通道相比,凹槽表面时均Nusselt数提高了近50.5%,时均摩擦阻力系数减小了近35.17%,综合系数增加了73.89%。通道内的流动结构显示:凹槽表面附近存在流体垂直流向壁面区域,在垂直流动区域内流体出现前、后分流,分流位置处Nusselt数增加明显,摩擦阻力系数没有明显增加,其综合流动特性最好。     

T型微通道内液滴尺寸的实验测定与关联

利用高速摄像仪对不同深宽比的T型微通道内液滴尺寸进行了实验研究。分别采用3种不同尺寸(深度×宽度)的微通道:400 μm×400 μm、400 μm×600 μm、400 μm×800 μm。以环己烷为分散油相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)的蒸馏水-甘油(质量分数分别为20%、40%、60%)溶液为连续相。考察了弹状流、过渡流和滴状流流型下微通道尺寸、两相流率、物性对液滴尺寸的影响。结果表明:液滴尺寸随微通道深宽比、连续相流率、黏度和毛细数的增加而减小,随分散相流率的增加而增加。用毛细数、两相流量比和通道深宽比对微通道内液滴尺寸进行了关联和预测,预测值与实验结果吻合良好。     

矩形截面高宽比对射流强化螺旋通道传热性能的影响

为了进一步探究具有不同截面高宽比的单一螺旋通道内流体湍流流动与换热特性以及射流对矩形截面螺旋通道的强化传热效果,采用计算流体动力学软件模拟研究了高宽比γ分别为0.625, 1.1, 1.6和2.5时,单一矩形螺旋通道及射流作用下螺旋通道内的湍流流场、二次流场及强化换热特性。结果表明,对于单一矩形螺旋通道,相同横截面积和流量时,仅当γ≥1.6的通道在高雷诺数下二次流会出现四涡结构,其余为两涡结构。对于单一螺旋通道,γ值越大流动阻力越小,同时换热性能越差。加入射流后,矩形截面四个壁面的换热能力均有提高,γ值越大射流的强化传热效果越显著,研究范围内局部壁面换热努塞尔数的平均值(Nulocal)m最高可为单一螺旋通道的2.51倍。考虑流量增加的影响,射流影响下的螺旋通道区域内综合强化传热因子PEC2在1.05~1.21之间。     

有序涡旋对三角槽道脉动流强化传热的影响

以水为工质对三角槽道内单相液体充分发展层流脉动传热特性进行了研究。应用粒子图像测速技术(PIV)测得流场内涡的变化规律,从"涡及涡运动"的角度揭示了"有序"的涡生长及迁移过程对脉动流强化传热的影响。此外,应用"场协同"理论,通过数值模拟深入分析了流场特性与传热之间的关系。研究发现,"有序"的涡生长及迁移过程,破坏了流体边界层,促进了近壁区热流场与速度场的协同,同时,强化了三角槽道内流体与主流区流体的掺混,热量输运能力提升;存在最佳的Strouhal数(St),使得涡旋既能充分发展又能在较短时间脱落进入主流,实现最大效率的壁面换热;有序涡旋对速度场、温度梯度场以及压力梯度场三者协同性的改善是换热性能提升的关键。