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原文传递表面活性剂溶液在T型三通内流动及阻力特性研究

论文题名：	表面活性剂溶液在T型三通内流动及阻力特性研究
关键词：	管道输运;表面活性剂;分流三通;剪切稀化模型;阻力特性;涡结构
摘要：	当今世界处于能源危机与环境污染的背景下，节能减排已成为发展趋势。节能技术的发展可以有效降低能源消耗，缓解能源危机问题。表面活性剂减阻作为添加剂减阻方式的一种，能够减少循环管路中流动阻力，进而降低泵的循环功耗，在管道输运领域实现节能。自1948年Toms发现减阻效应后，关于表面活性剂减阻的效果与机理受到了广泛的实验与数值模拟研究，但大多数研究集中于直管结构中，在局部构件中的减阻性能研究还较为有限。同时，循环管路局部构件处的流动损失主要来源于涡旋，探究表面活性剂对涡旋范围及演变过程的影响，对于减阻机理的探究具有重要的意义。　　本文首先对表面活性剂减阻及三通流动特性的研究现状进行深入调研，基于表面活性剂溶液的剪切稀化和黏弹性来描述减阻溶液的性质，其中，通过CFD内置非牛顿流体Cross模型来表征减阻溶液的剪切稀化性质;通过UDF模块编写Giesekus模型程序，耦合N-S方程来表征减阻溶液的黏弹性。然后以循环管路中常见的T型分流三通结构为研究对象，对其网格、模型参数进行了验证，设置了稳态和非稳态下工况下的边界条件。最后，采用剪切稀化模型，研究了分流三通内纯水和表面活性剂减阻溶液的阻力系数、减阻率的变化规律，分析了压力分布、速度变化、流线分布及涡量分布等流动特质;采用黏弹性模型，研究了三维湍流下纯水与表面活性剂溶液的涡旋长度差异，并探究了二维层流下纯水和黏弹性流体回流区随流动参数的变化规律。主要结论如下: 　　(1)通过剪切稀化模型的研究:纯水和表面活性剂(CTAC)减阻溶液的直管、支管阻力系数均随雷诺数增大，呈先减后增的趋势;随分流比增加，直管阻力系数逐渐降低，支管阻力系数逐渐增加。减阻区可以分为不完全减阻区、完全减阻区和过减阻区，与直管段相比，支管段更容易达到完全减阻区。直管及支管段减阻率随雷诺数增大先增后减;直管减阻率随分流比增大逐渐减小，支管减阻率随分流比增大逐渐增大，综合减阻率在雷诺数为44000、分流比为0.1时最大，约24.25％。　　(2)表面活性剂(CTAC)的添加增大了高速流动区域的范围，减小了低速涡旋区域的径向长度，使涡旋区域轴向长度略微增加，但总体而言，减小了涡旋区的范围，因而表现出减阻效应;在直管段及支管段流动过程中，CTAC的加入都将推迟涡旋结构的发展。同时CTAC的胶束结构对减阻效应的影响是存在作用范围的，涡旋强度高的区域表现为增阻，集中在涡旋中心区域;涡旋强度低的区域表现为减阻，集中在涡旋中心外侧与壁面处。　　（3）通过黏弹性模型的研究:黏弹性减阻流体和纯水的流速分布与涡旋长度存在差异。在充分发展截面，黏弹性减阻流体壁面处速度值小于纯水，主流区速度值大于纯水，因而壁面到流道中心的速度梯度大于纯水;减阻流体的黏弹性对直管与支管段的涡旋均产生影响，导致涡旋结构的轴向长度大于纯水，径向长度上小于纯水。　　（4）黏弹性流体的各项参数变化均会对分流三通的回流区造成影响。回流区的演变随雷诺数增加可以划分为三个发展阶段，在阶段Ⅱ时直管段开始出现回流区，在阶段Ⅲ时支管段出现两个回流区;回流区的长度随雷诺数增加而增加，随分流比增加而增加，随维森伯格数增大而减小，随溶剂黏度比增大而增大。
作者：	张志
专业：	供热、供燃气、通风及空调工程
导师：	张浩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东建筑大学
学位年度：	2023