目录
1研究的背景和意义 (2)
2表面活性剂减阻机理及影响因素 (6)
2.1湍流减阻基本概念 (6)
2.1.1从微观结构角度对表面活性剂湍流减阻机理的解释 (7)
2.1.2从湍流物理角度对湍流减阻机理的解释 (7)
2.2影响表面活性剂减阻的因素 (10)
2.2.1烷基 (10)
2.2.2烷基链头基 (11)
2.2.3 烷基链长度 (11)
2.2.4表面活性剂的浓度 (11)
2.2.5 补偿离子 (11)
2.2.5.1补偿离子的浓度 (11)
2.2.5.2补偿离子的疏水性与亲水性 (12)
2.2.5.3补偿离子的电荷性质以及电荷数 (12)
2.3其他因素的影响 (12)
2.3.1管路系统的直径 (12)
2.3.2流体介质的速度和温度 (13)
2.3.3环境中的金属离子 (13)
2.3.4雷诺数的影响 (13)
2.4表面活性剂减阻方程式的介绍 (13)
2.4.1粘弹性流体的剪力及湍流运动方程 (14)
3表面活性剂的国内外研究及运用状况 (15)
3.1国外的研究状况 (15)
3.2国内的研究状况 (16)
4主要研究的方法和内容 (17)
4.1研究的内容 (17)
4.2研究方法 (17)
4.2.1流变模型及数值模拟研究 (17)
4.2.2尺度放大的研究方法 (19)
5前景与展望 (21)
1研究的背景和意义
如今随着世界能耗的不断增加,能源问题一直是比较棘手的问题,特别像我国人口众多的国家,人均资源占有量远低于世界的平均水平,且对于能源的需求更加巨大,所以节约能源对于中国来说乃至于对于全世界来说是相当重要的大事。能源的消耗重要发生在能源交通运输过程中,且表面摩擦占很大的比例。而在长距离的管道运输过程中,泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦力。而由于表面摩擦阻力的存在,会将油气由层流状态转变为湍流状态,所以湍流减阻对长距离的管道输油具有重要的意义,已引起了广泛的重视。
在长距离管道流体输运中,绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。对于能源紧缺的今天,尤其是像我国这样处于发展中且人均资源占有量较低的国家来说,节约能源以及能源的高效利用已经成为了当前研究的重点和亟待解决的问题。减阻添加剂的使用能极大地减少流体在壁面的摩擦阻力,减阻效果高达80%,具有重要的节能价值。相比于聚合物减阻剂,表面活性剂具有可逆的机械降解性质,在高剪切力场合以及封闭式循环系统如集中供暖系统中有着极大的优势以及更为广泛的应用前景。
由于表面活性剂溶液在不同的剪切力作用下,其内部的单体分子会形成不同形状的微观胶束结构,比如球状、棒状、蠕虫状、网状等,而这些不同的微观结构又能够影响表面活性剂溶液的流变性能,使其在不同剪切力下表现不同的流变特性；而流变特性又会影响流体内部的湍流结构,从而进一步影响表面活性剂溶液的减阻性能。因此,为了认识表面活性剂溶液的内在减阻机理,对其微观结构、
流变特性及流体内部湍流结构的研究成为了国内外众多学者关注的焦点之一。
然而,表面活性剂在高效减阻的同时,其换热性能将会极大地恶化,这主要是由其内部微观结构对流体湍流强度的抑制作用造成的,从而导致了表面活性剂溶液传热性能恶化的现象。因此,为了进一步扩大表面活性剂在换热领域的应用,其强化传热也成为了研究的焦点。
当表面活性剂溶液发生减阻作用时,其流体内部的湍流涡结构会受到由表面活性剂形成的剪切诱导结构的抑制,从而使湍流结构发生改变。这一特点则为通过影响湍流结构实现减阻的其它减阻方法提供了可能的条件,为表面活性剂与其它适当的减阻方式相结合的耦合减阻研究提供了指导。因此,表面活性剂与其它减阻方式耦合进行高效湍流减阻的研究也是当前的研究热点。
综上所述,为了全面认识表面活性剂溶液的减阻机理,提高其在节能方面的应用价值和范围,就需要对其微观结构、流变特性、减阻特性、湍流结构特征、强化传热以及与其它减阻方法协同作用耦合特性进行系统的研究。本文对作者近年来在表面活性剂湍流减阻方面的最新研究进展进行综述,并与其它同类研究进行了对比分析。首先总结分析表面活性剂溶液结构、复杂流变特性和湍流结构及
其与减阻和换热性能之间的内在联系,然后阐述表面活性剂和壁面微沟槽协同作用减阻性能与机理,并介绍表面活性剂减阻的实际工程应用,最后对表面活性剂减阻在今后的研究重点提出建议。
湍流减阻对提高能源的利用率、保护生态坏境等都有重要的意义。近年来国际学术界对湍流减阻的基础和运用研究十分重视,每年都要召开有关于湍流减阻的学术会议,湍流减阻已经发展成为当今流体力学及流体工程界的一个热门学科。添加剂湍流减阻技术作为湍流减阻重要的一个分支,是指在管道中的流体湍流流
动中加入微量的添加剂,从而使湍流摩擦阻力显著降低的流体输送技术,与其他湍流减阻技术相比,其特点是湍流减阻效果最为明显,也是最为廉价且容易操作。
早在1931年,Forrest和Grierson就发现当水的管道湍流中有纸浆纤维悬浮时,其流动阻力在相同流量下会减小,但这一现象在当时并未引起足够的重视。首次发现聚合物湍流减阻现象的是美国学者Mysels,Mysels和他的助手发现汽油在管道中流动时,当在其中溶入双脂肪酸后,在相同流量下其流动阻力会降低,但由于第二次世界大战的影响,这一发现直到1949年才得以发表出来。在1948年举行的第一界国际流变学大会上,英国学者Toms效应。从那以后,在全世界范围内对湍流减阻机理及湍流减阻技术的实际运用开展了大量的研究工作,对湍流减阻现象已有了充分的认识,并在实际运用方面也有了长足进展。
减阻现象的发现,其意义首先体现在流体输送效率的提高与驱动能耗的降低上,具有巨大的节能价值。尤其是在当前,全球性的能源与环境问题迫使各国政府重视节能减排以及对新能源与节能新技术的开发与应用。摩擦阻力在众多领域是一个巨大的能源消耗环节,如飞机、轮船等交通工具的绝大部分燃油消耗是用于对空气或水等介质带来阻力的克服上,其中表面摩擦阻力占总阻力的50 %以上,再如对石油等流体的管道输运上,管道摩擦阻力造成的能耗占总能耗的80 %以上。在城市,动力用能在整个电能消耗上也占有很大的比重,例如2003年的上海电能消耗约占总能耗的50 %,其中动力消耗约占10 % 。由此可见,采用先进的减阻技术,降低流动阻力在节约能源,尤其是节约城市电能消耗上具有非常重要的意义。1979年,聚合物添加剂首先应用到纵贯阿拉斯加的石油输运管道, 获得巨大的成功,随后在世界各地得到推广,到九十年代末应用站点就已超过80多个。除石油的管道输运外,减阻流体在中央空调的冷、热媒介质的输运上也在尝试进行应用。其中,丹麦城市Herning自九十年代初在其城市供暖系统（热电联供）中应用该技术,并且延续至今,添加剂为表面活性剂。在捷克城市Kladno,表面活性剂减阻技术在超过300个部门的供热系统中进行应用测试,在一个整冬季的连续运行后,发现减少了近1/ 3的泵耗。另外, 在日本北海道扎幌市日本产业技术综合研究所等2020年起对其政府办公大楼中央空调系统进行减阻节能技术应用,采用表面活性剂为添加剂,节电达50 %。在我国,聚合物添加剂在石油管道输运中的应用于1986年进行了首次试验,1999年中国石油管道研究中心成功研制了EP系列的减阻剂,并与2000年在青海油田原油管道中首次应用。对于减阻技术在供热系统中的应用,我国在这方面的研究目前尚处在起步阶段,具体工程应用还未见报道。
20世界70年代前后开始,某些被发现具有减小湍流摩擦阻力的作用。后来的研究中发现,表面活性剂溶液湍流流体流动中产生减阻效应的因素是溶液内部的生成微观结构,即所谓的剪切诱导结构,这是由于表面活性剂溶于水后,在稳定剂的帮助下,其小分子会形成棒状微观结构,在适度切应力作用下又会形成网状微观结构。与高分子聚合物溶液中的柔性长链微观结构一样,表面活性剂减阻溶液内部的网状微观结构也能够产生一种称之为“粘弹性”的流变学物性,表现出特殊的非牛顿流体性质,该类流体也被称为粘弹性流体。也正是由于溶液流动内部产生了粘弹性,继而与湍流之间发生作用,产生湍流减阻功效。由于溶液流动内部的网状微观结构也会被解离、破坏,但在强剪切作用消失后,微观结构会在秒的时间量级内自动重新生成,既具有自动修复功能,同样,其湍流减阻功效也会得到恢复。基于此,在实际的有泵液体循环系统中,表面活性剂减阻剂更适合用来达到长效的减小流动摩擦阻力,节约驱动泵功耗的目的。另外,表面活性剂也有其适用的温度范围,但超过适用温度后,表面活性剂减阻剂只是暂时失去减阻效果,在温度回到
合适范围内之后减阻能力会自动恢复。
添加剂减阻最早是从含有污泥河水中行船时被发现,因为在污浊河水中行船的速度普遍要高于在清水中行船。在后来的研究与应用中,用于减阻的添加剂包括有：纤维、高分子聚合物、表面活性剂等等。添加剂减阻现象的发生是在湍流流动中,该现象是减阻剂影响湍流场的宏观表现,是一个纯物理作用过程。与此相近的物理减阻过程还包括：肋减阻、大尺度旋涡破碎减阻、表面涂层减阻、壁面震动减阻等等。这些技术在不同的场合得到应用,如目前的几乎所有的飞机都应用表面涂层减阻技术,据测试飞行阻力能降低10 %左右。对于这些减阻技术,从减阻机理上讲具有一定的共性,即流动的湍流微观结构被改变,从而导致表面摩擦阻力的降低。
对于添加剂减阻流体,溶液相对于溶质而言,还表现出不同的物理属性,如在水中添加聚合物或表面活性剂,溶液则表现出明显的非牛顿流体特性。同壁面肋条减阻、表面涂层减阻相比,添加剂减阻技术对湍流微观结构的改变,这一过程的根源在于流体本身的属性,并且这种属性还受流动状态影响,因此这种相互作用的过程使得减阻机理更为复杂。由于当前非牛顿流体湍流研究的复杂性,以及减阻流体巨大的节能潜力,因此添加剂减阻成为非牛顿流体研究中最具经济价值与科学意义的现象之一,这也使得该课题在近3 0年来一直为国内外研究的热点。目前,该减阻技术在减阻机理的揭示、传热恶化、应用控制等领域还存在一系列悬而未决的问题。
表面活性剂的减阻效应在工业和日常生活中最大的潜在运用场所为区域集中供热或供冷循环系统,减少供热系统中的热量的损耗同时在制冷系统中减少与外界的传热,由此带来能量消耗的降低。其减阻效应还可以运用到油气的集输过程中提高油气输送量,降低输送过程中的泵耗,国际上己有成功的运用实例。表面活性剂的运用带来巨大的经济效益的同时,但存在一系列问题,比如,表面活性剂的泄漏会给坏境造成污染和腐蚀管道。
（图1）表面活性剂分子及胶团示意图