定優膠溶液狹縫噴射減阻實驗研究1)

時朋飛 * 杜 偉 胡海豹 * 馮家興 * 謝 絡 *,

* (西北工業大學航海學院,西安 710072)

? (武漢第二船舶設計研究所,武漢 430064)

引言

自1948 年Toms[1]發現管道內高分子溶液湍流減阻現象以來,高分子聚合物添加劑一直是流體力學、流變學等學科的一個關注熱點.關于高分子量長鏈聚合物及纖維減阻問題的研究,已取得相當大的進展[2-11].后來,文獻[12]提出通過向湍流流場中噴入高聚物溶液的減阻新方式,并發現只有沿內壁噴射溶液才具有減阻效果.文獻[13]則指出,高分子溶液減阻率達到最大之后會因為降解而下降,且衰減函數與雷諾數、溶液濃度、分子量以及溫度有關.Perlin 等[14]還發現高聚物噴射的減阻效果會受管道流速、高分子種類、噴射溶液濃度以及噴射速率的影響.任劉珍等[15]在低速重力水槽實驗中發現,減阻率隨主流速度以及噴射速率的增加而增加,且噴射溶液在壁面附近呈層狀分布.

不過,高聚物減阻機理至今尚存在爭議[16-17].文獻[18]認為高聚物溶液在湍流狀態下的黏性應力與彈性應力存在一定關系,黏彈性與拉伸黏度相互結合,共同起減阻作用.Virk[19]認為高分子由于拉伸而導致的應力各向異性,是減阻的主要原因.不過,目前主流觀點認為高分子聚合物一方面能有效抑制湍流,減弱近壁區漩渦活動態勢;另一方面,可以加強軸向湍流強度并削弱法向湍流強度[20-21].

在減阻劑方面,PEO,PAM 等常規合成長鏈高聚物雖擁有顯著減阻功效,但易發生剪切分解或斷裂,使得減阻率降低,甚至增阻[22].為此,學者們探索了各類新型減阻劑.比如,學者們發現魚類分泌的水溶性高分子黏液能顯著減小湍流阻力[23-24],但大規模獲取非常困難;黃原膠[25]、秋葵[26-28]、蘆薈[29-30]等植物多糖具有一定減阻效果且易獲取,但易生物降解.之后,學者們利用Spingomonas sp.ATCC 53159菌種需氧發酵生產出一種新的微生物多糖——定優膠(diutan gum,又名S-657)[31].該多糖的分子主鏈是由3-D-吡喃葡萄糖、4-D-葡萄糖醛酸、3-D-吡喃葡萄糖與4-L-鼠李糖連接而成的四糖骨架重復單元,呈現出棒狀雙螺旋二級結構[32-33].定優膠這種特殊的分子結構與構象也引起了其他領域學者們的關注.Santos 等[22]通過定優膠均勻溶液管道實驗發現,該多糖是一種極其穩定的天然減阻劑.不過,至今仍缺乏定優膠溶液噴射減阻的相關研究.Xu 等[34]通過對定優膠進行流變測試發現,定優膠屬剪切變稀流體,然而其測試的剪切率范圍較窄(10-2～103s-1),并沒有測試低于10-2s-1的區域.Mota 和Pereira[35]探究了溫度對高濃度定優膠溶液(高于4‰)動態模量的影響,發現定優膠具有良好的熱穩定性,但未給出低濃度下定優膠溶液動態模量特性.

綜上,亟需對定優膠開展更完整的流變特性測試,結合定優膠溶液的擴散特性,對定優膠的溶液的阻力特性進行進一步研究,從而彌補當前工作的不足.為此,這里在開展定優膠大剪切率范圍流變特性測試的基礎上,完成了管道噴射減阻規律及基于激光誘導熒光技術(PLIF)的流場擴散特性測試,并從其噴射擴散角度分析了其減阻規律的變化原因.

1 實驗裝置與方法

實驗裝置包括重力驅動式管道循環系統、流變儀及粒子成像測速(PIV)裝置.其中,流變儀型號為HAAKE RheoStress 6000.流變行為測試中,各取配置的1 mL 溶液置于流變儀夾具間,在設定的溫度、頻率以及應變下進行測試.

重力驅動式管道循環系統(如圖1)主要由上水箱、下水箱、離心泵、管道、液體流量計、壓差變送器等部分組成.本裝置最高流速為2.8 m/s.為便于進行減阻測試與拍攝流場,實驗所采用的測試管道分為兩種,內徑為32 mm 的圓管用以進行阻力特性測試;截面長60 mm,高20 mm 的矩形管道用來拍攝管道內溶液的擴散特性.管道材質為無色亞克力(PMMA),在圓管試驗段兩端設有兩個測壓小孔,內徑為2 mm,距離為1400 mm,第一個測壓小孔距噴射口370 mm.定優膠由可調壓力氣源驅動進入噴射裝置.

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

試驗過程中采用差壓變送器(Setra,USA,可測量的壓差范圍為0～ 2 psi (1 psi=6.895 kPa),非線性誤差 ± 0.2%)測量兩個測壓孔之間的壓降.試驗測得噴射純水與不噴射的壓降差別在2%以內,因此后期試驗不考慮噴射對流動的影響.對比噴射定優膠溶液與純水流動壓降得到減阻率,對應公式為

其中,DR表示減阻率; ΔPw表示測得純水壓降;ΔPP表示同流速下噴射定優膠溶液壓降.實驗中,為減小偶然誤差,每個數據重復采集30 次,每個工況測試4 次.

PIV 裝置(TSI,USA)光學示意圖如圖2 所示,此裝置采用雙脈沖激光(激光波長532 mm,輸出功率9 W),PIV 可獲得速度場等信息,而PLIF 可得到流動的內部結構及溶液擴散特性.PLIF 測試時,在噴射液中加入羅丹明B 作為染色劑,在相應相機上加上允許通過波長范圍為560～600 nm 的紅色濾光片.

圖2 流場測試光學示意圖Fig.2 Optical diagram of flow field test

2 結果與分析

2.1 定優膠溶液流變特性

為揭示定優膠溶液在大剪切率變化范圍內的流變特性,圖3 給出了室溫20 °C 下定優膠溶液的穩態掃描結果(剪切率范圍覆蓋10-3～103s-1).從中可以看出,與文獻[22,34]的實驗結果類似,定優膠的黏度隨濃度增加而增加,屬假塑性流體;但與文獻[22,34] 不同,這里發現在剪切速率低于10-2s-1時存在與第一牛頓區、剪切變稀區及第二牛頓區并存的第四個區域——剪切增稠區,此區域內黏性隨剪切速率的增加而變大.

圖3 20 °C 下不同濃度定優膠的黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.3 The dependence of the apparent viscosity for diutan gum solutions on the shear rate at different concentrations with T=20 °C

圖4 為定優膠溶液的動態模量測試結果,其儲能模量G′與損耗模量G″都隨角頻率的增加而增加.可以看出,角頻率較小時,三個濃度的G′均小于G″,此時黏性占主導;三個濃度下,都存在一個黏彈轉變點,當超過此點時,G′大于G″,此時彈性占主導.此外,隨著濃度的增加,定優膠溶液的黏彈轉變點(圖中藍色虛線標注)左移,表現出纏結網絡的特征流變響應,此結果與文獻[34]的結果相符.當定優膠濃度大時,分子鏈更易發生纏結而儲存能量,因此在小角頻率下便表現出彈性.而濃度越小,分子鏈越難發生纏結,導致長鏈結構或者網狀結構難以形成以及成長,因此表現彈性對應的頻率也更大.此特性是否與高聚物的濃度效應有關有待深入研究.

圖4 20 °C 下不同濃度定優膠的G′與G″隨角頻率的變化曲線Fig.4 The dependence of the G′ and G″ for aqueous diutan gum on the oscillation frequency at different concentrations with T=20 °C

為進一步探究溫度對定優膠流變特性的影響,圖5 顯示了溫度對定優膠溶液動態模量的影響.結果表明,溫度的改變并不影響定優膠的黏彈轉變點.對圖5 進行縱向對比不難發現黏彈轉變點隨濃度的增加而前移,這正與圖4 結果相符.即定優膠在較低濃度下(低于1‰)亦具有良好的熱穩定性,這與文獻[35]的定優膠在較高濃度具有良好熱穩定性的結論相呼應.由于實驗所進行的范圍溫度掃描并不改變定優膠的流變特性,后續實驗在室溫20 °C 下進行.

圖5 不同溫度定優膠G′與G″隨角頻率的變化曲線Fig.5 The dependence of the G′ and G″ for aqueous diutan gum on the oscillation frequency at different temperature

2.2 定優膠減阻特性

圖6 為主流速度1 m/s (Re=32 000),不同濃度的定優膠溶液減阻率隨噴射速率Qi的變化規律.結果表明,定優膠溶液的減阻效果在所測范圍內都隨噴射速率的增加而增加,噴射速率為5Qs(Qs為黏性底層每單位展向長度上的體積流率,=67.3υ,υ在20 °C 為 1.006 7 × 10-6m3/(m·s)[36])時,減阻率達到最大,最大可達21.9%.原因是隨噴射速率的增加,進入主流的定優膠溶液相對濃度增加,與湍流結構的相互作用增強,從而使得減阻效果提升.此外,濃度低于0.75‰時減阻率隨濃度的升高而升高;0.75‰與1‰定優膠溶液減阻率呈交錯上升趨勢,考慮到實驗過程中的誤差,其差異并不明顯,猜想是因為1‰的定優膠溶液濃度過大,黏性阻力增加,減阻效果幾乎達到極限,便呈現此趨勢.

圖6 20 °C 下噴射速率對減阻效果的影響Fig.6 Drag reduction effect with different injection rates at 20 °C

圖7 給出了定優膠減阻率隨Re的變化規律.對比發現,除0.3‰定優膠溶液的減阻率隨雷諾數增加而減小外,其他都隨雷諾數先增加后減小,最大減阻率出現在0.75‰,Re=24 000,達26.5%.0.75‰與1‰定優膠溶液的減阻效果較之0.5‰與0.3‰的更為顯著,是因為較大濃度與湍流相互作用的能力更強.而1‰的定優膠溶液濃度過大,對湍流的作用已接近極限,并且其黏性阻力相對更大,因此1‰定優膠的減阻效果較之0.75‰并無明顯提高甚至還有少許下降.此外,四個濃度的減阻率最大值點隨濃度的增加整體右移,其中0.5‰與0.75‰的減阻率極值在Re=16 000 與Re=32 000 之間.由此可見,黏彈轉變點隨濃度的增加而前移,可能使得減阻能力升高,從而造成定優膠減阻極值點的右移,但二者之間的具體聯系還需要深入研究.

圖7 20 °C 下雷諾數對減阻效果的影響Fig.7 Drag reduction effect with different Reynolds number at 20 °C

2.3 定優膠溶液噴射流場測試結果分析

對減阻偏差相對較小的5‰的定優膠溶液進行了PLIF 拍攝.圖8(a)為Qi=5Qs,主流速度U為1 m/s (Re=32 000),1.25 m/s (Re=40 000)及1.5 m/s(Re=48 000)時的灰度圖片.白色部分代表噴入流場中的染色液體,白色虛線表示壁面位置.可以看出隨主流速度的增加,灰度圖片變暗,定優膠的法向擴散程度減小.U=0.5 m/s 時,灰度圖片存在亮度較大的區域(紅色虛線圈內),原因是在較低流速下,剪切速率低,定優膠溶液黏度高,無法充分擴散,呈團狀,對湍流狀態的抑制沒有達到最佳;U=0.75 m/s 時,定優膠溶液的擴散效果增強,甚至達到最佳狀態,減阻效果也達到最大;流速繼續增加時,剪切速率增加,使得定優膠的黏度減小,加之大流速水的卷攜,定優膠溶液便被順勢帶走一部分,此時白色區域的亮度明顯低于U=0.75 m/s,最終減阻效果下降.

圖8(b) 為U=1 m/s,噴射速率近似為1Qs,3Qs和5Qs時的流場灰度圖片.縱向對比可以發現,噴射定優膠溶液的熒光區域面積均小于噴水,說明定優膠溶液在流場中的擴散速率小于水.隨著噴射速率的增加,圖片亮度增加,噴射定優膠溶液的熒光區域面積相對于水更小,即定優膠明顯更貼近于壁面,使得定優膠溶液更易抑制近壁區相干結構的猝發現象[37].

圖8 定優膠溶液流場擴散特性Fig.8 DG solution diffusion characteristics

根據PLIF 拍攝結果,定優膠溶液減阻效果隨雷諾數先增后降的直觀原因是,溶液受到一個從不均勻團狀結構到均勻擴散,再到部分溶液脫離壁面的過程.實際上,隨著雷諾數的增加,湍流強度增加,高分子長鏈充分伸展,高聚物溶液與湍流的相互作用增強,因此一定范圍內減阻效果隨雷諾數的增加而增加.當雷諾數進一步增加,湍流剪切作用增強,高聚物與湍流的相互作用達到極限,且部分長鏈因高速剪切而斷裂;根據流變結果,剪切速率增加使得定優膠溶液的黏度下降,因此部分高聚物無法附著在壁面發揮作用,也造成減阻效果降低.

3 結論

論文通過開展新型微生物多糖減阻劑定優膠流變和管內狹縫噴射減阻實驗，得到以下結論.

(1)定優膠黏度隨濃度增加而增加,具有剪切變稀行為,且存在剪切增稠區、第一牛頓區、剪切變稀區及第二牛頓區等四種流變特性區;同時,定優膠的黏彈轉變點隨濃度增加而前移,但基本不受溫度影響.

(2)定優膠溶液減阻效果隨噴射速率單調增加,隨雷諾數先增后減,最大減阻率可達26.5%;同時減阻率最大時對應的雷諾數,隨著濃度增加而增加.

(3)定優膠溶液擴散速度比水小,噴射入流場后主要集中在近壁區;隨雷諾數增加,定優膠溶液會經歷聚集成團、舒展擴散及脫離壁面三個階段;定優膠擴散脫落壁面和剪切破壞可能是在大雷諾數下減阻效果降低的原因.