洞塞對表面活性劑減阻管流阻力特性的影響

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

隨著工業的高速發展，能源漸漸枯竭，節能減阻成為謀求可持續發展的必然選擇。洞塞消能技術[1]和表面活性劑減阻技術作為節能減阻技術的重要組成部分也因此得到了快速發展。

洞塞消能的機理是水流通過突擴、突縮流水流區段形成很強的剪切、紊動和摩擦，使水流的動能最終以熱能的形式耗散掉，較之長距離細管，消能既可減小水流阻力又可減小對下游的影響。丁天明等[2]運用數值模擬的方法對洞塞消能特性進行了精確模擬。其研究結果表明，截面積突然擴大或突然縮小產生的流動分離逆流區是能量損失的源地。洞塞能量損失系數主要受到孔徑比（洞塞直徑與管直徑之比）的影響。隨著孔徑比的增加，能量損失系數逐步減小，回流區長度減小。張立新等[3]為探究洞塞間距對多級洞塞消能影響進行了數值模擬，研究發現當孔徑比在0.4～0.8 范圍內，只要上下級洞塞之間的間距達到5.7D以上，各級洞塞之間的流動干涉消失，便能充分發揮各自的消能能力 。

表面活性劑的減阻機理是，表面活性劑在溶液中可以形成以蠕動狀或桿狀的形式存在的長微團膠束組織，這種微團膠束組織能夠抑制湍流、降低摩擦阻力系數，從而起到減阻的作用。很多專家學者在這方面做了較多研究，例如蔡書鵬等[4]為探討表面活性劑水溶液的減阻機理，介紹了表面活性劑減阻特點，評述了各減阻機理假說，指出了減阻水溶液的入口段長度行為特性。蔡書鵬[5]對表面活性劑減阻水溶液突擴流的阻力特性進行了試驗，研究結果表明，在較低雷諾數區域，呈現局部低減阻特性，在高雷諾數區域，呈現局部阻力增阻特性；表面活性劑水溶液減阻流，在突擴下游再次形成充分發展流所需的下游長度，遠大于牛頓流體的7.8 倍下游管徑（45 倍突擴臺階高度）。

相比純水流的洞塞局部阻力和消能特性的研究，關于添加劑減阻水溶液管流中的洞塞對管流阻力特性的影響研究所見甚少。在文獻[6-11]的基礎上，本研究采用實驗的方法將洞塞消能和表面活性劑減阻結合，旨在探究不同孔徑比和長徑比的洞塞，對不同濃度的表面活性劑水溶液管流阻力特性的影響規律，以期對工程實踐提供科學的參考依據。

2 實驗

2.1 工作流體

測試段均采用有機玻璃管，管壁厚度為2.5 mm，內徑為10 mm，其它與工作流體接觸的管件及附件均采用塑料或不銹鋼材料以便防腐。表面活性劑減阻劑為工業用陽離子表面活性劑十六烷基三甲基嗅化胺（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）， 相對分子質量為365；穩定減阻效果的伴隨鹽為水楊酸鈉（sodium salicylate，C7H5NaO3），相對分子質量為160。將CTAB 和C7H5NaO3在室溫下充分混合并達到熱動力學平衡后的水溶液作為工作流體，本地的自來水作為比較對象的牛頓流體。

2.2 實驗裝置

圖1為閉式循環系統局部壓力損失和沿程損失測試實驗裝置示意圖。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental devices

實驗裝置中：水箱體積為360 L，為防止表面活性劑的腐蝕，制作材料為不銹鋼304；變頻泵為多級式離心泵，型號為CDLF2-3，流量范圍為0～3.5 m3/h，最高揚程為27 m，調頻范圍為5～60 Hz，變頻泵配有三菱通用型變頻器，型號為FR-D700，調頻范圍為0.2～400.0 Hz；差壓變送器采用XK 系列3151 差壓變送器，量程為0～3 kPa，誤差為±0.1%；流量計采用液體渦輪流量計，型號為LWGY-MK-DN15，測量范圍為0.4～8.0 m3/h。測試段采用直徑為10 mm 的有機玻璃管，管壁厚為2.5 mm。

2.3 實驗方法

首先用清水測試不同工況下的局部阻力損失和沿程阻力損失，驗證裝置的可靠性；然后將CTAB與C7H5NaO3按質量比為1:2 混合，配制成質量分數分 別 為10-4,2×10-4,3×10-4的CTAB 與C7H5NaO3混合的減阻水溶液。加工長徑比分別為0.2,0.5,1.0，孔徑比分別為0.6,0.8 的洞塞共6 個。將溶液溫度控制在25 ℃，通過改變洞塞的孔徑比、長徑比（洞塞軸向長度與管直徑之比）以及水溶液的濃度，測試不同工況下的局部阻力損失和沿程阻力損失，并與清水測試結果比較。洞塞放置位置以及上下游管路的長度如圖2所示（圖中數據的單位為mm)。

圖2 洞塞測試段簡圖Fig.2 Schematic diagram of hole plug test section

3 實驗結果與分析

3.1 洞塞段的局部阻力系數

通過試驗測得L2段的壓差并計算出不同孔徑比、長徑比的局部阻力系數。雷諾數Re、沿程阻力系數λ及局部阻力系數ξ，分別按照如下公式定義或計算：

式（1）～（3）中：U為管內平均流速，m/s；

D為管直徑，m；

Δp為充分發展流區兩點間壓差，kPa；

g為重力加速度，m/s2；

L為阻力損失測試段的長度，m；

h為洞塞的局部阻力損失，m。

3.1.1 不同長徑比時洞塞的局部阻力系數

工作流體分別是質量分數為10-4的減阻劑水溶液和清水，孔徑比為0.6，不同長徑比（0.2,0.5,1.0）洞塞段局部阻力系數與雷諾數的關系如圖3所示。

圖3 不同工作流體、不同長徑比時洞塞段局部阻力系數與雷諾數關系曲線Fig.3 Relationship curves between local resistance coefficient and Reynolds number in plug section with different working fluid and different length diameter ratio

由圖3可知，當孔徑比為0.6，不同長徑比時，洞塞對清水和減阻劑溶液流局部特性的影響行為類似。長徑比為0.2 時，洞塞局部阻力系數大于長徑比為0.5 和1.0 的情形，這是因為對于突縮截面，流體從大截面到小截面存在“縮頸”現象，縮頸現象發生在突縮截面后(0.3～0.5)D。對長徑比為0.2 的洞塞來說，縮頸現象發生在洞塞之后，流體流過該洞塞經過了一次較大突縮比的突縮和一次較大突擴比的突擴。對于長徑比為0.5 和1.0 的洞塞，縮頸現象完整地發生在洞塞里面，也就是說，縮頸現象的后半部分也在洞塞內發生，相當于一次流動漸擴，從洞塞內壁到管壁的流動相當于再一次較小突擴比的流動突擴。漸擴產生的損失要小于一次突擴的損失，所以長徑比為0.5 和1.0 洞塞的阻力損失要比長徑比為0.2 的洞塞的阻力損失小。由圖3還可以看出，長徑比為0.5和1.0 的洞塞局部阻力系數基本相同，這是因為它們之間的差值僅為洞塞內沿程阻力損失上的不同，而沿程阻力損失非常小，可忽略不計，故兩者的洞塞局部阻力相同。其他各組實驗均具有類似的結果。

工作流體為質量分數為10-4的減阻劑水溶液，孔徑比為0.8，不同長徑比時的洞塞局部阻力系數與雷諾數的關系如圖4所示。

圖4 孔徑比為0.8 時不同長徑比的洞塞段局部阻力系數與雷諾數關系曲線Fig.4 Relationship curves between local resistance coefficient and Reynolds number in plug section with different length diameter ratio and an aperture ratio of 0.8

對比圖3b與圖4可知，孔徑比為0.6 的洞塞局部阻力系數比孔徑比為0.8 的大。由此可知，孔徑比越小，局部阻力系數越大。工作流體為純水時也有類似的結論。

3.1.2 不同工作流體下洞塞的局部阻力系數

當孔徑比為0.8、長徑比為0.5，工作流體分別為清水以及不同濃度的減阻劑水溶液（質量分數分別為10-4，2×10-4和3×10-4）時，對洞塞的局部阻力系數進行對比，結果如圖5所示。

圖5 不同工作流體下洞塞的局部阻力系數與雷諾數的關系曲線Fig.5 Relation curves between Reynolds number and local resistance coefficient of hole plug under different working fluids

從圖5可以看出，清水的局部阻力系數最大；在減阻劑溶液中，隨著減阻劑濃度的增加，洞塞的局部阻力系數減小，即隨著濃度增加，洞塞的局部減阻效果更好，在達到最佳減阻效果的臨界雷諾數后局部阻力的減阻效果逐漸降低直至消失。由圖5還可得知，清水時，局部阻力系數均約為1.1；減阻劑溶液質量分數為10-4時，局部阻力系數拐點的雷諾數約為22 000；減阻劑溶液質量分數為2×10-4時，局部阻力系數拐點的雷諾數約為30 000；減阻劑溶液質量分數為3×10-4時，局部阻力系數拐點的雷諾數約為35 000。因此，隨著減阻劑溶液濃度的增大，洞塞的局部阻力系數的拐點會向后平移，其他各組實驗均有類似結果。

綜上可知，洞塞的局部阻力系數隨長徑比和孔徑比的增大而減小，隨減阻劑濃度的增大而減小。

3.2 洞塞下游段充分發展距離

當洞塞孔徑比為0.8、長徑比為0.5，工作流體為清水時，L1段和L3段阻力系數與雷諾數的關系對比如圖6所示。

圖6 孔徑比為0.8、長徑比為0.5 的洞塞各段阻力系數與雷諾數的關系曲線Fig.6 Relation curves between resistance coefficient and Reynolds number of each section of hole plug with an aperture ratio of 0.8 and length-diameter ratio of 0.5

通過圖6可知，L1段和L3段的阻力系數值基本一致，由此可以得出結論：在清水條件下L3段流動已經再次充分發展。

當洞塞孔徑比為0.6、長徑比為0.5，工作流體是質量分數為2×10-4的減阻劑溶液時，將各段減阻率γdr與雷諾數的關系進行對比，結果如圖7所示。

圖7 孔徑比為0.6，長徑比為0.5 的洞塞各段減阻率與雷諾數的關系曲線Fig.7 Relation curves between drag reduction rate and Reynolds number of each section of hole plug with an aperture ratio of 0.6 and length-diameter ratio of 0.5

由圖7可知，孔徑比為0.6 的情況下，L4段的減阻率大于L3段的，可見L3、L4段流動還在發展。產生這種現象的原因是CTAB 減阻劑溶液經過洞塞時，截面積突然變小，速度變大，所受的剪切力增大，剪切力達最大值后，溶液中的部分剪切誘導結構將破壞，從而導致減阻率下降。而在圖7中，隨著雷諾數的增加，L4和L6段的減阻率增加，是因為表面活性劑的減阻可逆，CTAB 溶液中再次逐漸形成了剪切誘導結構。

當孔洞塞徑比為0.8、長徑比為0.5，工作流體是質量分數為2×10-4的減阻劑溶液時，將各段減阻率與雷諾數的關系進行對比，結果如圖8所示。

圖8 孔徑比為0.8、長徑比為0.5 的洞塞各段減阻率與雷諾數的關系曲線Fig.8 Relation curves between drag reduction rate and Reynolds number of each section of hole plug with an aperture ratio of 0.8 and length-diameter ratio of 0.5

分別比較圖7和圖8中的L1段、L3段、L4段和L6段曲線，可知孔徑比為0.6 的洞塞在L3段和L4段溶液沒有充分發展，直到L6段溶液才充分發展；而孔徑比為0.8 的洞塞在L4段減阻率和L1段的減阻率比較接近，故溶液在L4段就已經充分發展。產生此現象的主要原因，是孔徑比為0.6 的洞塞比孔徑比為0.8 的洞塞的孔小，因此溶液經過洞塞時速度更大，溶液受的剪切力更大，造成溶液中剪切誘導結構的破壞越快、越多。所以孔徑比為0.6 的洞塞溶液充分發展所需要的距離比孔徑比為0.8 的洞塞長；隨孔徑比的增大，溶液經過洞塞所受的剪切力越小，下游充分發展所需的距離越短。

4 結論

本文通過試驗研究了加入減阻劑后，洞塞對管流的局部阻力系數及對上下游流動的影響。研究結果表明：1）在雷諾數較小時，局部阻力系數隨雷諾數增加基本保持不變，在超過某一雷諾數后，局部阻力系數開始增大，出現拐點，拐點雷諾數隨減阻劑溶液濃度的增加而增大，直到局部阻力減阻效果消失。2）在孔徑比一定的條件下，長徑比較小時，局部阻力系數較大；而長徑比較大時，局部阻力系數較小。3）在同一長徑比和減阻劑溶液濃度下，孔徑比越小，局部阻力系數越大；直管減阻雷諾數范圍越大，局部阻力減阻的雷諾數范圍也越大。4）在洞塞的下游，形成具有穩定減阻效果的充分發展流動所需要的流動距離遠比純水流大，且充分發展流動所需要的流動距離隨孔徑比的減小而增大。