高分子聚合物的湍流減阻機理

柳岳雄

摘要：高分子聚合物，基于鏈重復連接而成，其高分子量的數量級別可以達到10～106，人們利用高分子聚合物的歷史非常久遠，目前在石油開采輸送，抽水灌溉，循環水利用等各個方面，都廣泛的使用了湍流不息減阻效應。文章希望能夠對于鏈狀的高分子聚合物進行模型的簡化輸出，在了解了根據模擬結果研究高分子聚合物減阻機理之后，可以得出減少流體的湍流脈動損失方法。

關鍵詞：高分子;聚合物;湍流減阻;機理

引言：

聚合物在發生正向扭矩作用時，發卡型漩渦的拱形頭步以及漩渦的腿部是抑制湍流漩渦進發速率和強度的位置。而與此同時，聚合物如果發生了反向扭矩作用，發卡漩渦的卷曲方向有助于減少漩渦的玩去率和傾斜角度。在我國石油、天然氣事業快速發展的過程中，石油行業和化工工業要求以管道輸送石油、天然氣等。在輸送時，管道的輸出壓力和阻力成為國內外學者重點研究的內容，在湍流流動的物體中，加入聚合物來產生減阻作用是比較常見的方法。

一、高分子聚合物湍流減阻的實驗意義

高分子聚合物向湍流流體中進行輸送，從而能夠減少管道中的阻力，在湍流流動的管道中，其阻力的減少作用可以在實驗裝置中進行實驗探究，很多學者針對這一問題的機理展開了理論和實驗的雙重研究。目前，由于高分子聚合物的這一應用，在工業、軍事和其他民用領域中都得到了比較廣泛的應用，因此研究者希望能夠通過實驗，找出高分子聚合物在減少阻力過程中的應用機理。通過實驗可以清晰的發現，具有減少阻力效果的一般是水溶性聚合物，這些聚合物常常有丙烯酰胺、聚丙乙烯等等，油溶性高分子聚合物則包括聚不飽和酸酯等。在高分子聚合物的減少阻力實驗中可以發現，只要將湍流流動介質中的鏈狀高分子聚合物加入到液體之中，其液體介質的摩擦阻力就往往會急劇下降。通過對于石油管道的輸送實驗可以表明， 高分子聚合物對于減少摩擦阻力的應用效果最高可以達到65%～70%的改善率。對于高分子聚合物湍流減阻實驗應用可以很好的為工業及民用事業發展應用的經濟效益起到良好的推動作用。

二、高分子聚合物湍流減阻實驗的模型

（一）聚合物的模型結構

高分子聚合物一般是自由結合的，人們通過實驗和各項觀察發現，高分子聚合物的自由結合體，往往呈現出珠-棒鏈狀模型結構，高分子聚合物的簡化模型，呈現出典型的首尾間張力矢量特征。高分子聚合物的通用結構，呈現出棒桿的中心點到珠子結構的鏈中心位置呈現出一定的指數，而隨著張力值的變化，高分子聚合物的不同結構旋轉范圍和旋轉角度，可以通過一定的概率密度公式表示。高分子聚合物珠與珠之間的張力平衡，一般呈現出彈性力、水力阻力和布朗力之間的平衡關系。研究者一般在高分子聚合物模型的模擬實驗中，假設其聚合物模型珠和珠之間的彈性力是符合胡克彈性定律的，因此，對于其張力量的變化可以以不同的方程式計算導出。高分子聚合物的控制方程往往表現出相對比較復雜的連續性方程特點，由于高分子聚合物在加入到湍流流體之后，在很大程度上限制了流體介質的變化，由于在受限制的空間內流動，因此，其阻力發生了變化。控制高分子聚合物珠子之間的速度，同時為分子鏈的初始張力給予補充。

以上的原理和過程，根據有效的方程式控制過程模型，總結方程式計算方法如下：

基于實驗模型的高分子聚合物湍流漩渦作用力

使用歷次實驗數據能夠推斷得出結論，在采用三維直接方式進行數字模擬，研究高分子聚合物在湍流漩渦結構中的具體的作用力，針對新模型的流向和空間邊界條件實驗，發現了基于二維Blasius的T-S擾動波，其特征向量是完全可以利用壓縮線性擾動方程來求出結論的。高分子聚合物附近如果有平板壁面的流向漩渦，那么在漩渦的誘導之下，很有可能產生低速的流量。高分子聚合物之所以發展為發卡狀的漩渦，主要是因為其漩渦的流向。聚合物添加劑減阻是通過從液體內側邊界創造條件，以實現減阻。長鏈高分子聚合物添加劑能導致減阻的共同特點是：其額定分子量數量級都是高達百萬的。學者們對于它的減阻機理進行了大量的研究。

由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重復連接而成的高分子量（通常可達10～106）化合物。例如聚氯乙烯分子是由許多氯乙烯分子結構單元—CH2CHCl—重復連接而成，因此—CH2CHCl—又稱為結構單元或鏈節。由能夠形成結構單元的小分子所組成的化合物稱為單體，是合成聚合物的原料。基于實驗模型的高分子聚合物湍流流向速度及實驗測試，可以探討得知高分子聚合物在完成減少阻力作用時，盡可能的阻止了湍流流體的迸發，在這種情況之下，如果液體的流向漩渦呈現出非對稱的情況和節奏，高分子聚合物在遭遇了聚合物扭矩作用的過程中較大方向的正面延展聚合物，其扭矩作用了向下方向的漩渦。大部分的湍流流體結構中，高分子聚合物的正向延展性扭矩抑制了發卡型漩渦的形成，實現了減少阻力的作用，人們目前對于流動液體的遏制規律進行反復的試驗研究，希望能夠更加優化的設置高分子聚合物的物理及化學結構。

結論：

文章分析了高分子聚合物在湍流流體運行中所起到的減少阻力作用，總結其減少阻力的運行機理可以發現，在不同的情況之下高分子聚合物的減阻。高分子聚合物將會產生反向的扭矩，原理是有所不同的：在與流動的流體共同作用的過程中，為了抑制發卡狀漩渦的形成，可以控制其速度，減少漩渦的數量。而如果是高分子聚合物的反向扭矩作用，已經出現在旋轉式的發卡型川流流體，漩渦之中，那么，為了使其流速變得更為緩慢，就應該充分的利用高分子聚合物的發卡式漩渦連貫張力和應力。

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