减阻表面活性剂的研究进展

介绍了表面活性剂减阻的机理。探讨了影响表面活性剂减阻效果的各种因素,包括:表面活性剂与补偿离子的结构及其浓度、管路系统的直径、流体的温度和速度以及环境中的金属离子。论述了表面活性剂的减阻与传热效率之间的关系;并且讨论了在使用减阻表面活性剂的循环系统中提高传热效率的方法。总结了减阻表面活性剂的一般特点。预测了减阻表面活性剂的发展趋势。引用文献35篇。     

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。     

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。     

添加表面活性剂减阻的试验研究

本文对工业用１８３１（主要成分为氯化三甲基十六、十八烷基铵的混合物,表示式为ＣｎＴＡＣ（ｎ＝１６,１８））阳离子表面活性剂与水扬酸钠（ＮａＳａｌ）复配水溶液的减阻特性进行了研究。试验装置为内径１６ｍｍ不锈钢管的封闭循环系统。Ｒｅ为１０４～５×１０４属湍流区域。试验结果表明,ＣｎＴＡＣ（ｎ＝１６,１８）ＮａＳａｌ溶液表现出了良好的减阻效果,随着复配液浓度的增加,减阻效果增大。在一定流速范围内ＣｎＴＡＣ（ｎ＝１６,１８）／ＮａＳａｌ溶液存在最佳减阻温度,随着流速向高的区域增加,最佳减阻温度有增加的趋势。ＣｎＴＡＣ（ｎ＝１６,１８）与ＮａＳａｌ最佳减阻配比为１∶１（质量比）。长链、柔顺性好的线状胶束的生成可能是存在最佳减阻配比的根本原因。电解质ＮａＣｌ对ＣｎＴＡＣ（ｎ＝１６,１８）／ＮａＳａｌ溶液的减阻效果有显著的影响,随着ＮａＣｌ浓度的增加,该溶液减阻效果明显提高,高浓度ＮａＣｌ存在下的ＣｎＴＡＣ（ｎ＝１６,１８）／ＮａＳａｌ溶液可能是一种有实用价值的潜在减阻剂。     

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。     

聚合物添加剂对流动沸腾传热与减阻的研究

研究了两种不同相对分子质量 (2 5 6× 10 4 和 85 5× 10 4 )的聚合物添加剂聚丙烯酰胺 (简称PAM )在垂直铜管内对水的流动沸腾传热的强化情况 ,研究了添加剂水溶液浓度、质量流率、热通量等对流动沸腾传热的影响 ,根据测得的稀溶液在垂直铜管内流动沸腾的总压降 ,用Martinelli分离流模型求得了相应的摩擦压降。结果表明在低热通量下 ,在适当的浓度范围内 ,两种不同分子量的PAM不仅可提高流动沸腾传热系数 ,还可降低流动沸腾的阻力。研究还表明 ,在相同操作条件下 ,在同样质量浓度下 ,两种不同分子量的PAM对水流动沸腾具有较为相近的强化传热与减阻作用     

表面活性剂溶液研究进展

综述了近年来关于表面活性剂分子溶液的研究进展,介绍了表面活性剂分子不仅在水溶液中几种不同聚集方式,而且在有机溶剂中也可发生聚集现象,甚至形成液晶,以及发生这些聚集作用的疏水效应的热力学理论探讨。     

多孔表面强化沸腾传热的研究进展

本文综述了多孔表面用于强化沸腾传热的研究工作。即介绍了多孔表面的形成和结构表征方法、多孔表面的沸腾传热性能以及描述多孔表面沸腾传热机理的物理和数学模型，同时分析了影响多孔表面沸腾传热性能的因素，探讨了多孔表面强化沸腾传热研究的发展方向。     

表面活性剂溶液润湿行为研究进展

润湿是指溶液在固体表面的铺展过程。本文主要从溶液铺展能力、表面活性剂吸附和固体表面性质等三个方面综述了表面活性剂溶液在固体表面的润湿行为及其研究和进展。     

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。     

Flow visualization studies of a turbulent drag reducing solution

A nondisturbing photochromic dye trace technique has been employed to study the flow profiles of water-alcohol solutions containing the drag reducing polymer Polyox at concentrations of 0.55 to 5.5 ppm. Drag reductions of from 33 to 75% were observed in a smooth glass pipe. The dye traces show a thicker wall layer for the drag reducing solutions than that for the solvent alone. The core region is relatively unaffected by the polymer at 0.55 ppm and at 5.5 ppm the relative thickness of the turbulent core region has been greatly reduced. Earlier, unpublished work of Corinthios shows effectively no core at 33 ppm. Mean velocity and apparent axial turbulence intensity profiles obtained are in general agreement with previous data in the literature obtained with other methods and in the wall region the low frequency intensity is greater than that of the pure solvent. This is consistent with the results of Spangler but not those of Seyer. Higher low frequency intensities measured in the wall region suggest that higher frequency fluctuations are suppressed and/or that the time stability of eddies is increased as indicated by the reduced frequency of wall ejections in drag reducing solutions.     

Momentum/heat transfer analogy for drag reducing fluids during turbulent boundary layer flow with small pressure gradients

There have been many attempts in the literature to develop analogies for momentum, heat and mass transfer to drag reducing fluids; however, none have considered the presence of a pressure gradient when formulating the analogies. In the present work, a momentum/heat transfer analogy has been developed under the influence of small pressure gradient for drag reducing fluids using the Nakayama et al. (1984) solution methodology for Newtonian fluids. The results of the present analysis have been found to compare well with existing theoretical expressions.     

减阻型纳米流体在圆管内的流动和换热特性

实验测定了在Reynolds数4000～16000范围内,质量分数0～0.5%的石墨、多壁碳纳米管、Al₂O₃、Cu、Al、Fe₂O₃、Zn纳米粒子加入到100～400 mg·kg^-1浓度的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)减阻剂中所制备的减阻型纳米流体的摩擦阻力系数和对流传热系数。结果表明:在CTAC中加入水杨酸钠(NaSal)与去离子水所配制的减阻剂具有一定的稳定性和很强的减阻特性,当减阻剂浓度为200 mg·kg^-1时其减阻特性最优。石墨纳米粒子在增强对流换热和减少流动阻力方面具有较佳的综合性能,当石墨纳米颗粒质量分数为0.4%时,其综合性能因子K是去离子水的5倍。最后给出了减阻型石墨纳米流体在圆管内的流动阻力和换热关联式,其计算值和实验值吻合良好。     

表面活性剂水溶液池热核沸腾传热的试验研究

对表面活性剂SDS、CTAB、Triton X-114和Triton X-100水溶液物性及其池核沸腾传热进行了试验,重点探讨了表面活性剂分子结构参数和溶液物性对沸腾传热的影响。结果表明：表面活性剂溶液沸腾传热效果、表面活性剂相对分子质量对表面活性剂溶液沸腾传热的影响规律都与表面活性剂的电离特性密切相关,离子型表面活性剂SDS与CTAB溶液的沸腾传热系数比值与相对分子质量的比值成－0.22的指数关系,而非离子表面活性剂Triton X-114和Triton X-100溶液不存在指数关系。动态表面张力和热流密度相等时,SDS和CTAB溶液沸腾传热特性差异主要受相对分子质量和平衡接触角的影响,而Triton X-100和Triton X-114溶液则受质量分数、EO基团数、浊点和动力黏度的综合作用。     

利用直接接触换热强化聚光光伏电池的热量散失

提出了一种将太阳电池直接浸没到绝缘液体中,利用直接接触换热实现电池高效冷却的方式。设计了小型实验装置,在辐照度约为50,70 kW/m2的条件下,研究了硅光电池组件的液浸散热特性。液浸方式下电池组件表面的对流传热系数为900 W/(m2.K),表面散热量为43.3 kW/m2,组件温度低于50℃,表明液浸散热方式可实现聚光条件下太阳电池的高效使用。液浸聚光条件下,组件开路电压随温度升高约呈线性下降,短路电流随光强增加而增加,实验后,组件开路电压没有明显变化,但短路电流产生了永久性衰减,主要为普通晶硅电池在高倍聚光条件下的使用问题。     

Enhancing convective heat transfer based on minimum power consumption principle

Equation of power consumption in the flow process of micro-fluid elements has been deduced in this paper by analyzing the mechanical energy equilibrium equation of microelement based on the stress relation of Newtonian fluid. By setting minimum power consumption as optimization objective and entransy consumption as constraint condition, optimization flow field equation for convective heat transfer on the basis of energy conservation equation and continuity equation are constructed. Numerical investigations of forced convective heat transfer in a circular tube based on the optimized controlling equations are conducted, and the results show that there are multi-longitude-vortexes existing in velocity field, which leads to an enhancement of heat transfer. The analysis for the heat transfer and flow resistance shows that this kind of flow field accommodates a far greater heat transfer increase than flow resistance increase, which proves that the proposed optimization theory is effective in designing high efficient heat transfer enhancement unit.     

Pipeline scale-up in drag reducing turbulent flow

Models available in literature for predicting drag reduction scale-up are inadequate as they have been successful only over a narrow range of diameters. A new scale-up model is presented which equates dampening of turbulent velocity fluctuations by drag reducing additives to a reduction in the Prandtl mixing length. Flow and pressure drop data from a laboratory scale pipe along with shear viscosity measurements are sufficient to predict drag reduction scale-up in bigger diameter pipes. Using this approach, scale-up was successfully predicted over a diameter range of 7 to 154 mm for a surfactant-water system and 26.6 to 1194 mm for a polymer-oil system.