表面活性劑對突擴和突縮流局部阻力特性的改變研究

來源: www.bnzqvc.live 作者:lgg 發布時間:2017-01-01 論文字數:38872字
論文編號: sb2016122919540016213 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是機械論文,本文針對表面活性劑易產生泡沫的解決方法是,在密閉的循環系統中進行實驗,減少表面活性劑溶液與空氣的接觸面積,從而減少泡沫的產生。
第一章 緒論 
 
1.1 研究背景 
近年來,減阻技術研究取得了引人注目發展,該技術在工業工程及日常生活領域都已經投入了實際應用。如小區供暖系統中的介質輸送、長距離流體輸送如石油輸送[1]中的應用等。有實踐表明,在長距離輸油管道中加入少量減阻劑(drag reducing agent),能提高百分之二十左右的原油輸送率,極大的提高經濟效率。 本世紀以來,經濟的快速發展加劇了各國對能源的需求。全球目前已知的能源如:石油、煤、天然氣等大多數數不可再生資源。面對日益減少的能源儲備,各國學者都對節能技術展開了研究。在長距離運輸過程中,人們重點關注的是運輸過程中的能源消耗問題,怎樣減少輸送過程中的能源消耗,是各國研究節能技術的核心問題。在對流體介質的長距離輸送中,有一個問題不可忽略,即由流體黏度引起的流動阻力。流動阻力一般分為摩擦阻力和局部阻力,其中摩擦阻力在流動總阻力中占比較大,而值得注意的是,流動中局部阻力約占總阻力的 30%,局部阻力的存在對整個長距離管道輸送中對能源的額外消耗也不可忽略。由于流動阻力在整個輸送過程中占總運輸阻力的比例很高,而泵站的動力幾乎一半用于克服長距離輸送中的阻力[2]。基于此,各國學者對如何減少管道流體長距離輸送中的流動阻力問題展開了研究。 1948 年,TOMS 發現在流體中加入少量的添加物能大大減少其流動阻力,這種現象被稱之為“TOMS 效應”,隨后被各國學者稱之為“減阻效應[3]”。“減阻效應”被發現的半個世紀以來,由于對節能減阻技術的迫切需要,各國學者都對減阻技術進行了大量的實驗研究及理論分析,期望可以找到一種有效、可靠、經濟的減阻方法。粘性減阻方法[4]是依靠改變邊界材料的物理力學性質或添加減阻添加劑于流動邊界層,從而改變邊界層流動的運動學和動力學特性,以達到減阻目的的一門技術。Shenoy 于二十世紀末期首次探討了使用表面活性劑(surfactant)作為減阻添加劑來實現湍流減阻的可能性。 
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1.2 局部阻力特性相關研究
對于沿程阻力與管流流動結構之間的關系,各國學者已經做了大量研究,并有了比較完善及成熟的理論。 J.Nikuradse 在大雷諾數范圍內對壁面粗糙的管道進行了實驗研究,歸結了沿程阻力系數、雷諾數及管壁粗糙度之間的關系。 L.Moody 使用工程管進行了大量定常流阻力實驗研究,并繪制莫迪圖;莫迪圖通過曲線清晰的表達了沿程阻力系數、雷諾數及管壁粗糙度之間的關系。 此外,還有一些經典理論公式,如用于計算光滑水力管的清水摩阻系數的Blasius 經驗公式,其計算范圍內蓋 Re=4000~100000 的湍流區域。而對于層流區清水摩阻系數的計算,則可用 Hagen-Poiseuille 理論公式進行計算。 由于流體流動邊界急劇改變而流體沿管的速度分布卻不能“突變”,此過程中,流體會在突變處產生脫流、漩渦,消耗主流能量,我們把這一部分損失稱為局部水頭損失。對于突擴及突縮流,由于其流動范圍內具有回流特性,其流動并非類似直管的均勻流,因此理論求解非常困難。故關于局部阻力特性的研究,尚未完善。 Oliveria,F.T.Pinho 和 S.Rosa 等人[6]采用數值模擬的方法分析了水在突擴、噴嘴中的局部阻力特性。 趙寶峰[7-8]等人通過研究發現,在湍流流動中,突擴局部阻力系數與管徑比呈正相關關系;而同管徑比下,隨著雷諾數的增大突擴局部阻力系數是減小的。 孫琳[9-10]通過對四種(0.41、0.42、0.64、0.81)不同的突擴及突縮比管路進行實驗研究及數值模擬,發現圓管突擴及突縮局部阻力系數均隨著管徑比的的增大而增大。 
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第二章 流動阻力基礎及表面活性劑的相關特性
 
2.1 流動阻力及減阻基礎
當具有黏彈性的流體沿一已知的邊界流動時,無論是內流外流亦或其它復雜流動,由于在流體在流動的已知界面上流速u 為零,而其法向速度梯度不為零,故存在流體對流動邊界的摩擦力,又可稱之為壁面剪切力。對不同形式的內、外流來說,流體能量發散的數量[4]、途徑以及表現形式又是各不相同的。舉個例子來說,對于管流,流動能量的耗散主要表現為壓力梯度或范寧摩阻系數 f 的數值。 從粘性阻力被發現的時刻起,學者們就一直在探索減少粘性阻力的方法。Prandtl 提出邊界層理論后,學界關于內、外流黏性阻力的各類研究已經取得了引人注目的成果。 為研究粘性減阻是怎樣一種規律,我們首先要了解流動阻力的組成。 對不同流體的流動來說,其阻力組成與數值是不同的。例如,對飛機機翼或其它繞流的外流情況來說,我們可將流動阻力分為表面阻力和形狀阻力,這二者組成外流的總阻力。對輪船來說,阻力[4]可分為:空氣阻力、興波阻力和水的粘性阻力。對于水泵水輪等水力機械來說,其阻力的組成更為復雜。 總的來說,能量發散是流體阻力損失的主要原因。一般來說,粘性流體的能量耗散方式為:1、邊界粘性阻力損失;2、質團撞擊損失;3、由于流體流動中流線彎曲或 T-S 波的發展進而形成漩渦,流動中渦旋的存在會不斷耗散主流能量,導致流動阻力增加。 
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2.2 管流減阻的表達式
對管流來說,流體流動的能量的發散主要表現為沿程阻力損失。主要分兩種情形:一是流體通過的橫斷面形態沿長不改變或無明顯改變,邊界面不光滑,這時,邊界區域的流體能量一部分通過層流邊界層粘性剪切發散;而另一部分則通過粗糙邊界突出物形成局部脫流產生的附壁小漩渦發散。這兩部分消散能量各占的比例隨邊界的突出程度而異[45]。表面活性劑分子由親水基團和疏水基團組成[47]。若一些表面活性劑分子溶解于水中或其他具有水的性質的溶劑中,其分子的分布在最初階段是雜亂無章的,其初次組成聚合體時表面活性劑濃度存在一個臨界值,即臨界膠束濃度 I(CMC1)。當溶液中表面活性劑濃度達到 CMC1 時,表面活性劑分子聚合成親水基團在外,疏水基團在內的多分子式結構,其外形如團狀物體,故我們稱之為球狀膠束(micelle)。值得注意的是,無論此表面活性劑是離子型或者非離子型,它的臨界膠束濃度總取決于疏水分子基團的尺寸。研究發現,疏水基團的相互作用是各種膠束結構形成的驅動力,當分子聚合成膠束時,大多數單個分子的疏水部分的相互作用都將消失。隨著溶液中表面活性劑濃度的進一步增加,膠束間的相互作用使膠束開始聚集,當溶液達到新的更高的某一濃度時,團狀膠束結構開始向棒狀膠束(rod-like  micelle)轉變,此轉變濃度我們稱之為臨界膠束濃度 II(CMC2),亦可稱之為轉變濃度 Ct。當棒狀膠束出現時,溶液呈現減阻能力。 
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第三章  實驗系統及實驗部件的選用及設計 ...... 17
3.1  實驗系統的設計思路 ...... 17 
3.2  實驗系統概況 ......... 17 
3.3  部分實驗部件的設計 ...... 19
3.4  實驗參數的測量 ..... 20
3.5  清水實驗對系統的驗證 ........... 24 
3.6 本章小結 ......... 25 
第四章  突擴、突縮管路清水實驗研究 ..... 26 
4.1  突擴管路局部阻力特性探討 ............ 26
 4.2  突縮管路局部阻力特性探討 ............ 29 
4.3  試驗結果分析 ......... 31
4.4  管徑比對突擴(縮)局部阻力系數的影響 ...... 34 
4.5  突擴(縮)局部阻力系數隨流量的變化特性 ........... 36 
4.6  本章小結 ........ 38 
第五章  CTAB 對突擴和突縮流局部阻力特性的影響研究 ......... 39 
5.1  實驗材料及配置 ..... 39
5.2  實驗原理及評價標準 ...... 40
5.3  實驗結果與分析 ..... 42
5.4  本章小結 ........ 59 
 
第五章 CTAB 對突擴和突縮流局部阻力特性的影響研究
 
5.1 實驗材料及配置 
本文采用陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為減阻劑來進行實驗,配置溶液時加入 2 倍摩爾比的 Na Sal 作為輔助劑。水楊酸鈉(Na Sal)能夠為表面活性劑體系提供平衡離子,穩定溶液中的“棒狀減阻膠束結構”。實驗所用溶液按照 CTAB 與 Na Sal 摩爾比 1:2 進行配制,過程如下: 首先用最大量程為 500g 的電子天平稱好所需要的 CTAB 及 Na Sal 并分別放置。準備好約 15L 溫度為 50℃的水,將 CTAB 及 Na Sal 同時緩緩倒入溫水中并緩慢攪拌直至溶液中無明顯白色顆粒。將該溶液倒入系統儲液箱中加水稀釋成所需濃度后,使用小型潛水泵循環 2 小時,使得溶液充分均勻。由于 CTAB 自身特性,使得 CTAB 溶液中微小氣泡非常多,需將配置好的 CTAB 水溶液靜置 12 小時,使其達到熱力學平衡后再進行實驗。 
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結論 
 
本文通過實驗對突擴(縮)的清水局部阻力特性及加入 CTAB 后突擴(縮)局部阻力特性進行了探討,實驗結論如下: 
1)隨著管徑比的增大,突擴(縮)清水局部阻力系數是增大的。突擴(縮)局部阻力系數的大小主要取決于上下游管徑比,其數值大小隨著雷諾數的改變會發生略微變化。本文通過實驗得到突擴對清水流下游流動的影響范圍約在 15 倍下游管徑左右。 
2)加入 CTAB 后,在不同管徑的突擴管中,隨著雷諾數改變其局部阻力系數在低雷諾數下比純水小,隨著雷諾數增大而在小范圍內超過水但最終恢復與水一致。隨著 CTAB 濃度的增大,減阻流體在突擴中的減阻能力越難被破壞。本文所測得的在加入 CTAB 后突擴流最大增阻率約為 9%(300ppm,K-1.519,Re=45000);最大減阻率約為 40%(300ppm,K-1.519,Re=12000)。 
3)突縮局部阻力系數在低雷諾數區域高于清水流,在下游管存在明顯減阻時,突縮局部阻力系數大于清水流;在下游直管段減阻消失但上游存在明顯減阻時,突縮局部阻力系數小于清水流,CTAB 濃度的增大使得突縮流減阻需要更大的“減阻起始雷諾數”。本文所測得的在加入 CTAB 后突縮流最大減阻率約為 65%(100ppm,S-1.519,Re=38000),已經接近該濃度 CTAB 水溶液在上游直管段的減阻效果。 
4)CTAB 水溶液在突擴(縮)處的減阻能力與管徑比存在聯系。即隨著管徑比的增大,減阻流體對突變處的影響將會變小(不論是減阻亦或增阻影響),本文認為存在一個極限管徑比使得 CTAB 水溶液對突變處流動阻力的影響不再隨管徑比的增大而減小。 
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參考文獻(略)

原文地址:http://www.bnzqvc.live/jxlw/16213.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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