湍流主要通過邊界層流體與壁面的摩擦引起的,因此,研究表面活性劑的流向上邊界層內(nèi)湍流減阻性非常有意義,通過壓降和粒子圖像測速法分別研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10×10^-6,50×10^-6和100×10^-6下的表面活性劑溶液與水的壓降、范寧系數(shù)、減阻率、平均速度、速度分布云圖、雷諾應(yīng)力、渦量和渦量分布云圖,實驗發(fā)現(xiàn):在表面活性劑的壁面范寧系數(shù)要比水時壁面的范寧系數(shù)要小,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10^-6時減阻效果最好,最大減阻率為20%。得出結(jié)論:表面活性劑的加入使湍流邊界層的厚度增加,雷諾切應(yīng)力減小,在靠近管道的中心處的渦量最小,隨著遠(yuǎn)離管道的中心,渦量緩慢地增大,近壁區(qū)的渦量降低,表面活性劑的減阻溶液的渦量比水的渦量稍微大一點,說明主要抑制管道中心區(qū)域的湍流強度來降低阻力,從而達(dá)到減阻效果。 

【文章來源】：化學(xué)工程. 2019,47(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

實驗裝置Fig．1Experimentaldevice

和演變過程揭示湍流強度變化情況，通過PIV測量出邊界層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的參數(shù)，從機理上來分析表面活性劑的湍流減阻性能。1實驗裝置1．1水循環(huán)系統(tǒng)和表面活性劑結(jié)構(gòu)本實驗的管道為方管，裝置如圖1所示。該循環(huán)系統(tǒng)由流動測試段管段、泵、流量計、壓差變送器、收縮管段、擴張管段、穩(wěn)流板和循環(huán)水罐等部分組成。測試管段長2800mm，管截面尺寸為100mm×60mm。水溫控制在25℃左右。實驗所采用的表面活性劑為CTAC(十六烷基三甲基氯化銨)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過比較流體在加入表面活性劑和未加入表面活性劑時，測量點之間的壓降和邊界層的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，就得到表面活性劑湍流減阻性能。圖1實驗裝置Fig．1Experimentaldevice圖2表面活性劑的結(jié)構(gòu)Fig．2Structureofsurfactant1．2粒子圖像測速儀粒子圖像測速法(簡稱PIV)能夠測量流動截面上瞬時速度矢量。實驗主要設(shè)備包括:激光發(fā)射器、CCD相機、圖像處理軟件、激光臂和同步器、激光片光源如圖3。拍攝時，需要提前設(shè)定時間間隔和曝光時間，調(diào)整激光片光源平面與矩形管道展向中心線共面與CCD相機鏡頭垂直。相機拍攝頻率為50—250Hz，每次拍攝圖像80張。原始粒子圖像處理時分辨率分別設(shè)為30×18，34×6，窗口重疊率設(shè)為80%，最終在測量平面內(nèi)得到156×100(流向×法向)個二維瞬時速度矢量場。圖3PIV布置圖Fig．3PIVlayout1．3數(shù)據(jù)處理方法范寧摩擦系數(shù)Cf是描述阻力大小的物理量，可通過測量壓降和平均流速計算得出［7］。Cf=2τwρU2=ΔpHWρU2(H+W)L(1)式

粒子圖像測速法(簡稱PIV)能夠測量流動截面上瞬時速度矢量。實驗主要設(shè)備包括:激光發(fā)射器、CCD相機、圖像處理軟件、激光臂和同步器、激光片光源如圖3。拍攝時，需要提前設(shè)定時間間隔和曝光時間，調(diào)整激光片光源平面與矩形管道展向中心線共面與CCD相機鏡頭垂直。相機拍攝頻率為50—250Hz，每次拍攝圖像80張。原始粒子圖像處理時分辨率分別設(shè)為30×18，34×6，窗口重疊率設(shè)為80%，最終在測量平面內(nèi)得到156×100(流向×法向)個二維瞬時速度矢量場。圖3PIV布置圖Fig．3PIVlayout1．3數(shù)據(jù)處理方法范寧摩擦系數(shù)Cf是描述阻力大小的物理量，可通過測量壓降和平均流速計算得出［7］。Cf=2τwρU2=ΔpHWρU2(H+W)L(1)式中:Δp為測試管段壓降，Pa;H，W，L分別為測試管段寬度、高度和長度，mm;ρ為流體密度，kg/m3;τw為壁面對測試管段流體的剪切應(yīng)力，Pa;U為流體的平均流速，m/s。定義減阻率ＲD=Cff－CfrCff(2)·65·

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]方形管道內(nèi)壁面微結(jié)構(gòu)對湍流減阻效果的影響[J]. 李恩田,吉慶豐,龐明軍.  化工進(jìn)展. 2017(11)
[2]Drag-reduction behavior of an unusual nonionic surfactant in a circular pipe turbulent flow[J]. 蔡書鵬,HIGUCHI Yuta.  Journal of Hydrodynamics. 2014(03)
[3]表面活性劑減阻水溶液在紊流邊界層中的流動結(jié)構(gòu)[J]. 蔡書鵬,唐川林.  四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版). 2007(03)



本文編號：3041503