浙江工程学院学报,第18卷,第1期,2001年3月Journal of Zhejiang Institute of Science and Technology Vol .18,No .1,Mar 2001文章编号:1009 4741(2001)01 0015 05收稿日期:2000-09-06*教育部博士点基金资助项目高聚物减阻机理的研究综述*邵雪明,林建忠(浙江大学力学系,浙江杭州310027) 摘要:对有关高聚物减阻机理的代表性研究及进展进行了简要的综述,并对 应力各向异性说 这种较新的观点进行了介绍。
关键词:高分子聚合物;减阻;机理中图分类号:O357 5 文献标识码:A1 概 述高聚物减阻的研究始于1948年,Toms 在第一届国际流变学会议上,发表了关于高聚物减阻机理研究的第一篇论文[1]指出,在氯苯中溶入少量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),可大幅度降低液体运动的阻力,因此高聚物减阻又称为Toms 效应。
50年代和60年代初期,减阻研究多局限于流变学。
在60年代中期以后开始引起流体力学工作者的注意,并开始了广泛的研究工作。
人们重视高聚物减阻的研究,首先是因为这一技术具有很大经济价值,并有两个显著的特点:一是投入量少;二是减阻效果非常显著。
所以在国防、工业、交通和消防等领域具有广泛的应用前景,特别是长距离管道输送流体,应用这一技术将大大提高运输量,或节省输送能源的消耗。
其次,由于高聚物减阻与湍流密切相关,减阻机理的研究,能促进湍流理论的发展。
这正是流体力学工作者瞩目之所在。
迄今为止,虽然有了不少有关高聚物减阻的论著,但现有的理论还没有一种可以圆满解释减阻的系列特征,有待于进行深入的研究,并努力扩大在相关工程中的应用。
本文分两个时期对高聚物减阻机理研究的代表性观点和成果进行阐述。
2 分类综述1990年以前,尤其是60年代之后的10年间,在公开刊物发表的有关高聚物减阻的论文每年约有100篇,密度非常大。
所进行的研究可大致被分为三类。
第一类研究的着眼点为高聚物分子,主要研究高聚物分子在剪切、拉伸等流动中的运动特性,由此来推测高聚物的加入对湍流的影响。
1969年Lumley [2]发表了一篇高聚物分子在湍流中运动特性的综述性论文,列举了高聚物分子的主要参数包括分子质量、柔性、分子链长度、构形等的影响,并提出了一个在当时普遍得到认同的观点。
他认为高聚物分子在湍流边界层中受到拉伸,会使该处的流体粘度增加,这可能是高聚物引起减阻的主要原因。
White [3](1985年)指出,高聚物分子在静止溶液中各链节随机卷曲,统计图像呈椭球形。
溶液运动时分子因剪切而发生变形,与静止状态差别很大。
所以如果能观测到分子在剪切流中的构形及动力特征,16浙江工程学院学报 2001年 第18卷则在解释减阻机理时将甚为有效。
然而高聚物分子构形的动态测量是非常困难的,1986年,Be wersdoff[4]等应用冷中子小角度散射测量技术,把一种阳离子表面活性剂TTAB溶于重水中,形成分子量很高的胶束型减阻液。
垂直于流向入射的冷中子因胶束存在而发生散射。
沿流向及垂向的散射强度I1和I2与入射波的特征量 成函数关系。
试验发现,溶液静止时,椭球长轴随机取向,散射呈各向同性,I1( )=I2( );流动时,定向剪切使长轴取向的随机性质发生变化,散射显示各向异性,I1( )和I2( )分离为两条曲线。
哈佛大学Abernathy[5]等认为:在剪切流中流场的变形张量促使聚合物分子发生弹性变形,而旋转速度张量则使之旋转,抵消其变形影响。
由于这两种作用同时存在,大分子的动力状态可分为两个不同的阶段。
当壁面剪切率低于某一临界值时,大分子基本不发生变形,在剪切流向作Einstein-Jeffery型旋转。
当剪切率高于临界值时,大分子发生强烈变形,旋转与大变形的合成运动产生了较强的远场波动,这可能引起与邻近大分子的相干,形成对减阻发生作用的基本单元。
为了阐明大分子的运动状态对减阻的具体作用,Abernathy等分析了涡管在剪切流中的进化情况。
大分子的变形运动产生了两种作用,即阻碍涡管的形成和对已形成的涡管阻碍其发育。
这两种作用的综合效应是降低了高分子稀溶液的猝发周期,从而导致了湍流减阻。
Rabin和Zielinska[6](1989年)研究了在拉伸流动中聚合物分子对涡量分布的影响。
加入高聚物后,在高波数上,类似于牛顿流体发生了涡量的拉伸。
原本由小尺度涡耗散掉的能量则被受到拉伸的聚合物分子储存起来,当这些聚合物分子运动到拉伸速率小的区域的时候,它们又会松弛恢复到原来的形态,而储存的能量被传输给低波数的速度脉动。
由于湍流边界层结构的复杂性,单从聚合物分子的角度入手来精确推断其对湍流的所起的影响比较困难。
第二类研究的着眼点为高聚物对湍流统计量的影响,早期高聚物减阻的研究大都属于这一类。
1967年,Virk[7]等通过速度测量对减阻流动进行了比较细致的研究。
他们采用毕托管、热线在不同减阻剂和溶剂测量减阻管流的流向速度,得到了著名的Virk渐近线。
之后,高聚物在减阻流动中分布均匀度的影响也成为一个研究的方向。
很多研究者发现高聚物是预先混合在溶剂中,还是从壁面注入到流动中,对减阻效果有显著的影响。
McComb和Rabie[8](1982年), Ber man[9](1986年)都研究过这个问题。
对于不均匀的高分子溶液,研究者关注的一个重要特征就是高分子丝团的构形。
通过研究提出了一个关于减阻原因的假设,认为减阻是由于高分子丝团和近壁区湍流结构相互作用的结果。
然而,单纯从统计测量的角度来分析湍流结构是不够的,同时由于早期测量技术及仪器的缺陷,也为这方面的研究带来了一定的困难。
第三类研究的着眼点在于高聚物对湍流拟序结构的影响。
这是随着湍流理论和各种测量技术的发展而出现的相对较新思路。
随着湍流拟序结构研究的发展,减阻研究又得到了新的启迪。
Gordon[10](1970年)发表了第一篇有关高聚物对拟序结构影响的文章,他认为高聚物的加入会削弱湍流边界层猝发过程的强度,但论文中没有提供支持这一观点的数据。
Donohue、Tiederman和Reischman[11](1972年)采用流动显示技术在槽流中探讨了高聚物对湍流拟序结构的影响。
发现在靠近壁面区,y方向流体运动显著削弱,湍斑区增大,以及猝发速率明显减小。
Ber man[9](1986年)也得到了类似的结论。
Berman还发现把聚合物预先混合到溶剂中也能使猝发速率减小,但不如流动时注入影响显著。
文献[8]中把条件采样与激光测速相结合,测量了圆管内聚氧化乙烯(PEO)水溶液的猝发过程,定义无因次猝发周期为:T B!u2T+B=式中:T B为相邻两次猝发的平均时间间隔,u 为摩擦速度,为溶液的运动粘性系数。
通过测量得到:纯水T+B =266;PEO水溶液之猝发周期随减阻百分比!的增加而增大,当!由26 5%增至67%时,T+B由274增至1280。
Aric (1986年)测量了PE O 水溶液的平面流动,也用了条件采样技术,所得结果与文献[8]在性质上是一致的。
与70年代同类工作相比,Aric 等的结果在精度上有所提高。
从湍流拟序结构这一角度的研究能得到很多由高聚物加入所引起的现象,但要解释这些现象还比较困难,需要其它方面研究的支持。
3 关于减阻机理的几种观点通过研究,人们相继提出了一些理论,以下简要介绍有代表性的几种。
a)伪塑说这是最早被用来解释减阻机理的观点。
Toms 在文献[1]中提出,聚合物溶液具有伪塑性,剪切速率愈大,表面粘度愈小。
溶液在通过管道流动时,壁面附近剪切速率大,粘度降低,从而使流动阻力降低。
但目前这种理论已被否定,Walsh 的工作给了伪塑说致命的一击,他用聚甲基丙烯酸溶液做实验,有很强的减阻作用。
但这种流体却是典型的胀流型流体。
b)湍流脉动抑制说由于高聚物只对湍流减阻,所以有人认为减阻是因溶液中聚合物分子抑制了湍流旋涡的产生,从而使脉动强度降低,减少了能量损失。
这种说法初看似乎很有道理,但遭到湍流脉动强度实测结果的否定。
c)粘弹说随着粘弹流体力学的发展,有人提出高聚物溶液的减阻作用是由于溶液粘弹性和湍流旋涡发生相互作用的结果。
粘弹性流体变形的记忆性使减阻流场的空间尺度和时间尺度增大,湍流旋涡的一部分动能被聚合物分子吸收,以弹性能形式储存起来,使旋涡动能减少,旋涡消耗的能量也随之减少。
这种理论虽然还没有达到完善的境地,但已被不少学者所接受。
然而最近的研究使之也受到了挑战。
4 最近的进展进入90年代,有关高聚物减阻机理研究的一个显著特点就是在研究密度方面虽然远低于六七十年代,但在深度和难度方面却是相当可观的。
经过近30年的努力,研究者发现,单纯从聚合物分子、湍流的统计测量以及湍流结构这三个着眼点来研究高聚物减阻的机理,虽得到了一些重要的成果,但由于存在着各自的缺点,对高聚物减阻原因还是没有一个明确的解释。
要想取得重大的突破,在这三个方面相互结合的研究可能是有效的。
如加入聚合物使得湍流边界层的猝发频率降低,这是从湍流结构的角度研究得到的结论,但要解释其原因,就必须从分析聚合物分子在湍流中的运动特征入手。
近10年在这一方面有了一定的进展,并提出了一些新的观点。
Pinho 和Whitelaw [12](1990年),Harder 和Tiederman [13](1991年),Wei 和Willmarth [14](1992年)应用LDV 分别测量三维管流和二维槽流的湍流统计量,这些研究的一个明显结果是高分子聚合物的作用并不是抑制了湍流的运动,相反的是流向湍流强度得到了加强,而法向湍流强度减弱了。
这就意味着高分子聚合物的加入,湍流结构是被改变了,而并不是以前所认为的是被削弱了。
Wei 和Willmarth 还发现法向速度的能谱在所有频率上都被抑制了,而流向则从高频到低频能量重新进行了分布。
同时发现,以不同的速度注入不同浓度的聚合物(保持注入的聚合物总量不变),近壁区流向速度的能谱和雷诺应力有很明显的变化。
1995年,den Toonder,Nieuwstadt 和Kuiken [15]为了检验Lumley [2](1969年)的观点,对管流进行了直接数值模拟,发现仅仅拉伸粘度的增加还不足以产生明显的减阻。
之后,通过总结Virk 和Wa gger [16](1990年)、Draad 和Hulsen [17](1995年)、Sadaki [18](1992年)等的一些最新研究成果,1997年den Toonder [19]提出:减阻流场中,由于聚合物分子的拉伸所引起的应力各向异性是高聚物减阻的主要原因。
为证实这一观点,den Toonder 首先应用激光多普勒测速对管流进行了研究,得到了近壁区高阶的湍流统计量及湍动能谱。
