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1、表面活性剂溶液减阻性能测试毕业论文目 录1 绪论11.1 研究背景11.2 研究现状及意义11.3 本文研究的主要容22 减阻的理论基础42.1 表面活性剂溶液物理化学性质及结构42.2 减阻特性52.3 减阻的影响因素72.4 表面活性剂水溶液减阻机理假说92.5 表面活性剂的应用102.6 章节小结103 实验系统介绍与调试113.1 实验系统简介113.2 实验系统组件介绍123.2.1 储水箱123.2.2 二维实验段133.2.3 测压孔与测温孔133.2.4 仪器仪表选型143.2.5 PIV测试系统173.3 实验系统调试183.3.1 离心泵调试193.3.2 流量计调试193
2、.3.3 差压变送器调试193.3.4 二维通道调试203.3.5 PIV系统调试223.4 章节小结264 表面活性剂减阻性能测试274.1 实验溶液274.2 实验步骤274.3 实验结果分析及讨论284.3.1 实验原理284.3.2 减阻性能实验结果及分析294.3.3 减阻率分析324.4 章节小结355 表面活性剂湍流性能测试365.1 实验容365.2 实验结果分析及讨论365.2.1 实验原理365.2.2 流道横截面的平均流向速度分布375.2.3 湍流分析375.3 章节小结406 结论与展望416.1 本文的主要结论416.2 展望42参考文献43附 录1 英文原文44附
3、 录2 英文翻译58致 谢73主要符号表主要符号表Cm表面活性剂和反粒子物质在溶液中的质量浓度/ ppmH二维通道高度/mD 二维通道的水力直径/mL测压孔距离/mW二维通道宽度/m 流体密度/ kgm-3ppm百万分之一/浓度单位溶液运动粘度/ m2s-1P压力差/PaUb速度/ms-1Re雷诺数/ UbH-1Rec临界雷诺数w壁面剪切应力/ Paf /Cf宁摩擦阻力系数/2w(Ub2) -1DR减阻率/%L取压孔间距/m 摩擦速度/(w/)0.5/ms-1无量纲速度/ U()-1y壁面坐标/m无量纲壁面坐标/y-11 绪论1 绪论1.1 研究背景近三十几年，减阻流动的研究一直是流体力学研究
4、的重点课题之一。因为减阻流动对提高经济性的巨大潜力，促使了人们不断地对减阻机理的探索，同时也随着探索的深入，已经取得了相当多的宏观、微观领域的成果。但是，由于减阻现象的复杂性，以及影响减阻效果的因素的多样性，人们对减阻现象和机理的认识仍然处于摸索阶段，已取得的理论和研究成果仅能从某些方面解释减阻现象，还不能从本质上真正的解释和预测流动的发展及变化，远远没有达到系统化、理论化，距离实际应用还有相当长距离。同时，对节能的迫切需求也成为了减阻研究的动力。近年来，由于地球上已探明的化石能源即将消耗殆近，而且，由于人为等因数导致了环境的普遍恶化，环境问题严重威胁着人类的生存和发展。随着人们的生活水平的不
5、断提高，节能迫在眉睫。这就使得通过减阻达到节能的研究成为了必然。1.2 研究现状及意义众所周知，流体在输送过程中，会不可避免的与通道发生摩擦，从而产生摩擦阻力。当其中加入少量的减阻剂时，就会出现在同一流速下，其湍流摩擦阻力系数减小，或在同一压降下流体流速增大的现象，这种现象就是流体减阻现象。减阻现象早在七十多年前就被发现的，那时是把木纤维加入到湍流状态下的水中，从而发生了减阻现象，但是当时该现象并没有被重视。而通常研究学者认为的第一次发现减阻现象是由Mysels1等人在20世纪40年代所发现的。此后，减阻现象受到科学与工程界的广泛关注，并纷纷展开多个方面的研究工作。对于在环境介质中运动的物体来
6、说，阻力主要分为形体阻力和壁面摩擦阻力。形体阻力包括尾流阻力、提升诱导阻力和波阻。而交通工具的减阻主要是采取各种措施来降低尾流阻力。1904年，Prantle2精确地解释了边界层分离的机理，这就为后来的降低尾流阻力的研究提供了可靠的理论依据。通常采用的减阻手段主要是采用流线型外型、壁面热传导、壁面吸入、稳定绕流等的手段减少边界层分离，从而使运输工具和武器能够得到很大的发展，同时减小了能耗。减阻研究最早是在流体中加入添加物来进行减阻的。这些添加物主要有：表面活性剂、固体颗粒、纤维等物质、高分子物质等，它们能大幅降低流体的壁面摩擦阻力，最大可达80。所有的减阻添加剂都具有如下特征：1具有微观形成的
7、纤维状结构(分子或胶束)，分支少或没有。2纤维状结构具有柔韧性。3其溶解性良好。以上条件是成为减阻添加剂的必要条件。现已知的减阻添加剂有：高分子聚合物、表面活性剂、泥浆、纤维等。高分子聚合物有极佳的减阻性能，曾是减阻研究的主流，所以人们对高分子减阻的研究获得了大量有价值的成果；因为高聚物和表面活性剂溶液之间的相似性，这些成果对后者的研究具有重要的指导意义。由于高聚物的先天缺点，决定了其很难付诸于实际应用。实验已证实，在利用高分子聚合物进行热量输运时，会出现减阻效应逐步减小的现象，而且温度越高，就越强烈。同时，当高聚物的直长链分子结构受水泵等的高剪切作用时，会发生永久性的机械降解。在降解后，该聚
8、合物就失去了减阻效果，因此添加高聚物减阻只适用于非循环式的流体输送系统。因此，在循环系统的应用中，高聚物作为减阻剂受到了一定的限制。而表面活性减阻剂相较与聚合物来说，其最大的优点就是具有分解可逆性，也就是说，当受到高剪切力或高温作用时，减阻能力会被暂时破坏，一旦剪切力或温度降低到一定围后，减阻性能又会恢复。这一优点使表面活性剂逐渐受到人们的关注，成为了不可或缺的减阻剂。基于以上优点，表面活性剂溶液更适用于闭路循环系统。区域集中供热循环系统（DHS）是工程领域使用最多的。在此系统中，泵主要是用来输送冷/热水到各个单位进行冷却或加热。供应站则利用电厂或工厂的余热把水加热，其与传统的独立加热和冷却系
9、统相比，不仅成本低且对空气污染小，具有很大的优势。同时在燃料价格不断上升的今天，DHS的能量高利用率的特点使其更具优势。如果在其中使用减阻剂，对已建系统来说，对于相同工况，会明显降低泵的功率，达到节能的目的。而对于新建系统来说，因为使用了减阻剂，相同的泵功会得到更大的流量，这就能节约建设成本。而在这类循环系统中，泵这种设备是必须的，如上所述，高聚物会受泵高剪切力作用，分子会被永久性降解而失去减阻作用，而对于表面活性减阻剂，其自修复功能更适合这类循环系统，而且减阻效果更稳定。同时表面活性剂溶液的节能效果，在全球能源危机、环境恶化的今天，具有很高的研究价值和意义，这就有必要对表面活性剂溶液的特性进
10、行深入的研究。1.3 本文研究的主要容本章通过对减阻流体的发展历史、应用领域等方面进行了综述，从而得出本课题的研究背景和应用前景。为了能进行更进一步的研究，就必须对该领域已取得的研究成果进行一个比较全面的了解。从这些研究结果中可以看出，除本身的物理和化学性质之外，还存在着一些决定溶液的减阻效果的因素，比如：温度、减阻剂浓度、流动雷诺数、补偿离子浓度、流动通道的影响等。而在以往的研究中，温度因素的研究比较欠缺。为此本文主要研究CTAC/NaSal表面活性剂在不同温度、不同浓度下的管湍流流动减阻特性，并且对其实际应用进行了探索。表面活性溶液的减阻特性的研究容：配制不同浓度的CTAC/NaSal表面
11、活性剂溶液，且在当量管径为55.56mm (H=30mm)的二维通道进行了减阻特性的实验研究，(1) 浓度围：30ppm 200ppm；(2) 温度围：20 30；(3) 雷诺数围：2103 5.0104。并对此进行了对比分析，得出了温度、浓度和雷诺数对减阻影响的规律。同时用PIV对雷诺数为5000和10000时的水和30ppm浓度的CTAC溶液进行拍摄，之后进行湍流特性的实验研究，探讨减阻与湍流之间的关系。同时还翻译了一篇与本文容有关的英文文献，文献原文见附录1，译文见附录2。792 减阻的理论基础2 减阻的理论基础2.1 表面活性剂溶液物理化学性质及结构1) 物理化学特性表面活性剂能显著降
12、低溶液的表面力，即使在很低浓度下也一样。现在都将低浓度下能显著改变物质的表面特性或与之相关的特性的物质都归类到表面活性剂的畴。表面活性剂分子是由亲水基和亲油基（憎水基）两个截然不同部分组成。由于水分子对亲水基有吸引作用，而对亲油基则有排斥作用，所以其结构特点使它溶于水以后，为了达到稳定状态，只有处于溶液的表面，将亲水基伸向水中，亲油基伸向气相。这种特点必将决定了，在溶剂(水或其他有机溶剂)中加入表面活性剂后，必然会形成微观不均匀溶液。这种特殊的分子结构也可以认为是表面活性剂的所有的性质的原因所在。因为存在着对减阻不利的疏水基群，为了避免其与水接触，有两种比较常用的方法可以解决。（1）让疏水基群
13、附着在如气相、非极性固相，或者疏水性液相的非极性相上。（2）让疏水基群形成胶束结构（如图 21）。图 21 表面活性剂在水中的溶解状态2) 胶束结构表面活性剂有一个临界胶束浓度CMC（Critical Micellion Concentration），当其浓度小于CMC时，表面活性剂分子为了使体系获得最低的自由能，将聚集于溶液的表面，并将亲水基伸入水中，亲油基伸入空气中；如果继续增加其浓度，当达到一定值后，溶液表面的活性剂分子数将不再增加，就会在溶液的部形成了一种亲水基向外，憎水基向的多个分子的有序结构。因为这种结构使得水分子与憎水基的接触面积最小，体系的自由能也最小，从而保证了该结构的稳定。
14、此时的浓度就是临界胶束浓度CMC。一般认为，胶束大多呈球状主要出现在当溶液中不含其他添加剂及加溶物且浓度不大时。Anacker和Debye 3利用光散射法对胶束进行了研究，提出当浓度大于CMC时，并在一定围，胶束是球状的，且缔合度不变，即只有一种形状和类型且大小一定。例如，在其研究中的C12H25SO4Na水溶液，当表明活性剂浓度为CMC时，其胶束的聚集数为73，当浓度增加后依保持不变。T.M.Clausen等人4则对浓度为005M的CTAC溶液使用低温电镜技术，同样也拍摄到了溶液部存在着球状胶束结构。而当浓度远浓度高于CMC且有大量伴随离子时，胶束一般是非球状的。Anacker和Debye 3通过对光散射实验的结果进行分析之后，提出了棒状胶束模型。这种形状能极大的缩小表面活性剂分子的碳氢链与水的接触面积，从而获得更高的热力学稳定性，甚至在某些表面活性剂溶液中，这种结构还具有一定的柔顺性。T.M.Clausen等人4的研究也同样得到了这种类似的结构，并在其报告中给出了“蚯蚓状胶束(worm一1ike micelle)”的照片。同时值得注意的是，他们在实验中甚至还观察到了环状胶束的结构。在他们的实验中观察到，CTAC球状胶
