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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

阳离子型表面活性剂与聚合物复配体系协同减阻作用

为探究阳离子型表面活性剂和聚合物复配体系的协同减阻作用,以阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）和聚合物聚丙烯酰胺（PAM）为研究对象,设计搭建多功能湍流减阻实验测试装置,实验分析聚合物离子类型对复配体系协同减阻的影响,优选复配体系,进一步研究复配体系协同减阻作用随表面活性剂浓度、聚合物浓度、温度的变化规律。实验结果表明：CPAM-CTAC/NaSal复配体系协同减阻作用>AmPAM-CTAC/NaSal复配体系协同减阻作用>NPAM-CTAC/NaSal复配体系协同减阻作用>APAM-CTAC/NaSal复配体系协同减阻作用。CPAM-CTAC/NaSal复配体系的协同减阻作用在CTAC/NaSal浓度达到聚合物饱和浓度（PSP）0.3g/L时到达顶峰,平均减阻效率高达69.22%;当CTAC/NaSal浓度增加至0.5g/L后,平均减阻率迅速减小至10.08%,复配体系的临界广义雷诺数亦迅速降至7535.20,抗剪切性减弱。随着CPAM浓度由0.05g/L增加到0.2g/L,减阻破坏区减阻率可由9.08%增加至57.49%,临界广义雷诺数由31272.43增加到45033.36,抗剪切性增强;当CPAM浓度超过第二临界缔合浓度（CAC Ⅱ）0.15g/L后,减阻破坏区减阻率增加趋势及抗剪切性增强趋势均变缓。此外,相较于单一减阻剂,复配体系耐温性显著增强,55℃时最大减阻率增至69.05%。     

磺酸盐表面活性剂研究进展

综述了磺酸盐表面活性剂的研究现状和正在开发的新品种,并对其合成技术路线和方法进行了概述,尤其是对链烃磺酸盐、脂肪酸酯磺酸盐、双芳环醚磺酸盐、二聚磺酸盐表面活性剂的合成和性质进行了重点介绍。我国应大力开发原料易得、活性高的脂肪酸磺酸盐、脂肪醇醚磺酸盐表面活性剂,注重结构新颖、性能独特的Gem in i表面活性剂的基础研究以适应各行业的需求。引用文献41篇。     

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。     

含氟表面活性剂的研究进展

介绍了含氟表面活性剂的分类结构、特性、合成方法及应用领域。重点介绍其在传统工业（化工、纺织、造纸及橡胶工业）和在含氟材料合成中的应用现状。针对目前存在的问题,提出了对人类健康和生存环境造成影响的PFOS（Pedluorooctane Sulfonate）和PFOA（Perfluorooctanoic Acid）的研究方向,并概述了含氟表面活性剂近年来的研究进展。     

氟碳表面活性剂的应用研究进展

论述了氟碳表面活性剂的化学结构及性能,重点介绍了一般的碳氢表面活性剂难以胜任的应用领域,并分析了国内氟碳表面活性剂行业的现状及存在的问题,对其研究方向进行了展望.     

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。     

Experimental research on drag reduction by polymer additives in a turbulent pipe flow

In order to investigate the effects of injection position on drag reduction as well as further the effects of polymer additives on turbulent structures, LDA measurements of turbulent pipe flows were conducted. The results show that the amount of drag reduction grows with the increase of the Reynolds number, and injecting the polymer at the centre of pipe is more effective than at the wall. Due to the addition of polymer solution, the axial, radial r.m.s. velocity fluctuations and Reynolds stress decrease over the entire pipe cross‐section, the time auto‐correlation coefficients of axial and radial velocity fluctuation at the centre of pipe decay more slowly, the number of spectrum peaks is decreased, and the peak shifts towards lower wave numbers. The results also reveal that, due to the addition of polymer solution, the large‐scale vortices are enhanced and small‐scale vortices are suppressed.     

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。     

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.     

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.     

圆柱绕流中扰动体强化传热和减阻

以圆柱上游布置扰动体的双钝体绕流模式为研究对象,通过有限体积法数值研究了Reynolds数Re=1000时钝体直径比（d/D）、间隙率（S/D）对双钝体系统传热性能和系统阻力的影响规律。结果表明,小直径扰钝体对系统的对流换热更为有利,且系统的对流换热随间隙率的增大而递增。以等直径双钝体（d/D=1）系统为基准,总换热增长量（HI）随间隙率和扰动体直径的增大而减小,且间隙率小于临界值（S/D=4）时换热增长量波动比较明显。当d/D=0.1,S/D≥5时,系统的换热增长量为22.3%～25%,且此时系统的流动阻力可减小约40%,这表明上游小直径扰动体的利用在增强系统换热性能的同时也减小了系统的阻力。     

Hybrid rheological model for non‐Newtonian turbulent pipe flow

Many slurry rheograms do not follow the Bingham model, but are curved (convex upwards) at low‐strain rates. Alternate models such as the yield‐power law (YPL), provide a good fit to the low‐strain rate data, but they tend to underestimate apparent viscosities at high‐strain rates. The current paper considers a hybrid rheological model consisting of a cubic‐spline fit to the low‐strain rate data merging into a Bingham linear model above a limiting strain rate. This model predicts turbulent flow well, depending only on the area difference between the Bingham rheogram and the cubic spline.