湍流边界层内表面活性剂减阻特性研究
发布时间：2021-02-19 18:18
湍流主要通过边界层流体与壁面的摩擦引起的,因此,研究表面活性剂的流向上边界层内湍流减阻性非常有意义,通过压降和粒子图像测速法分别研究了质量分数为10×10-6,50×10-6和100×10-6下的表面活性剂溶液与水的压降、范宁系数、减阻率、平均速度、速度分布云图、雷诺应力、涡量和涡量分布云图,实验发现:在表面活性剂的壁面范宁系数要比水时壁面的范宁系数要小,在质量分数为50×10-6时减阻效果最好,最大减阻率为20%。得出结论:表面活性剂的加入使湍流边界层的厚度增加,雷诺切应力减小,在靠近管道的中心处的涡量最小,随着远离管道的中心,涡量缓慢地增大,近壁区的涡量降低,表面活性剂的减阻溶液的涡量比水的涡量稍微大一点,说明主要抑制管道中心区域的湍流强度来降低阻力,从而达到减阻效果。
【文章来源】：化学工程. 2019,47(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实验装置Fig．1Experimentaldevice
和演变过程揭示湍流强度变化情况，通过PIV测量出边界层的内部结构和对应的参数，从机理上来分析表面活性剂的湍流减阻性能。1实验装置1．1水循环系统和表面活性剂结构本实验的管道为方管，装置如图1所示。该循环系统由流动测试段管段、泵、流量计、压差变送器、收缩管段、扩张管段、稳流板和循环水罐等部分组成。测试管段长2800mm，管截面尺寸为100mm×60mm。水温控制在25℃左右。实验所采用的表面活性剂为CTAC(十六烷基三甲基氯化铵)，其结构如图2所示。通过比较流体在加入表面活性剂和未加入表面活性剂时，测量点之间的压降和边界层的结构及参数，就得到表面活性剂湍流减阻性能。图1实验装置Fig．1Experimentaldevice图2表面活性剂的结构Fig．2Structureofsurfactant1．2粒子图像测速仪粒子图像测速法(简称PIV)能够测量流动截面上瞬时速度矢量。实验主要设备包括:激光发射器、CCD相机、图像处理软件、激光臂和同步器、激光片光源如图3。拍摄时，需要提前设定时间间隔和曝光时间，调整激光片光源平面与矩形管道展向中心线共面与CCD相机镜头垂直。相机拍摄频率为50—250Hz，每次拍摄图像80张。原始粒子图像处理时分辨率分别设为30×18，34×6，窗口重叠率设为80%，最终在测量平面内得到156×100(流向×法向)个二维瞬时速度矢量场。图3PIV布置图Fig．3PIVlayout1．3数据处理方法范宁摩擦系数Cf是描述阻力大小的物理量，可通过测量压降和平均流速计算得出［7］。Cf=2τwρU2=ΔpHWρU2(H+W)L(1)式
粒子图像测速法(简称PIV)能够测量流动截面上瞬时速度矢量。实验主要设备包括:激光发射器、CCD相机、图像处理软件、激光臂和同步器、激光片光源如图3。拍摄时，需要提前设定时间间隔和曝光时间，调整激光片光源平面与矩形管道展向中心线共面与CCD相机镜头垂直。相机拍摄频率为50—250Hz，每次拍摄图像80张。原始粒子图像处理时分辨率分别设为30×18，34×6，窗口重叠率设为80%，最终在测量平面内得到156×100(流向×法向)个二维瞬时速度矢量场。图3PIV布置图Fig．3PIVlayout1．3数据处理方法范宁摩擦系数Cf是描述阻力大小的物理量，可通过测量压降和平均流速计算得出［7］。Cf=2τwρU2=ΔpHWρU2(H+W)L(1)式中:Δp为测试管段压降，Pa;H，W，L分别为测试管段宽度、高度和长度，mm;ρ为流体密度，kg/m3;τw为壁面对测试管段流体的剪切应力，Pa;U为流体的平均流速，m/s。定义减阻率ＲD=Cff－CfrCff(2)·65·
【参考文献】：
期刊论文
[1]方形管道内壁面微结构对湍流减阻效果的影响[J]. 李恩田,吉庆丰,庞明军. 化工进展. 2017(11)
[2]Drag-reduction behavior of an unusual nonionic surfactant in a circular pipe turbulent flow[J]. 蔡书鹏,HIGUCHI Yuta. Journal of Hydrodynamics. 2014(03)
[3]表面活性剂减阻水溶液在紊流边界层中的流动结构[J]. 蔡书鹏,唐川林. 四川大学学报(工程科学版). 2007(03)
本文编号：3041503
【文章来源】：化学工程. 2019,47(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实验装置Fig．1Experimentaldevice
和演变过程揭示湍流强度变化情况，通过PIV测量出边界层的内部结构和对应的参数，从机理上来分析表面活性剂的湍流减阻性能。1实验装置1．1水循环系统和表面活性剂结构本实验的管道为方管，装置如图1所示。该循环系统由流动测试段管段、泵、流量计、压差变送器、收缩管段、扩张管段、稳流板和循环水罐等部分组成。测试管段长2800mm，管截面尺寸为100mm×60mm。水温控制在25℃左右。实验所采用的表面活性剂为CTAC(十六烷基三甲基氯化铵)，其结构如图2所示。通过比较流体在加入表面活性剂和未加入表面活性剂时，测量点之间的压降和边界层的结构及参数，就得到表面活性剂湍流减阻性能。图1实验装置Fig．1Experimentaldevice图2表面活性剂的结构Fig．2Structureofsurfactant1．2粒子图像测速仪粒子图像测速法(简称PIV)能够测量流动截面上瞬时速度矢量。实验主要设备包括:激光发射器、CCD相机、图像处理软件、激光臂和同步器、激光片光源如图3。拍摄时，需要提前设定时间间隔和曝光时间，调整激光片光源平面与矩形管道展向中心线共面与CCD相机镜头垂直。相机拍摄频率为50—250Hz，每次拍摄图像80张。原始粒子图像处理时分辨率分别设为30×18，34×6，窗口重叠率设为80%，最终在测量平面内得到156×100(流向×法向)个二维瞬时速度矢量场。图3PIV布置图Fig．3PIVlayout1．3数据处理方法范宁摩擦系数Cf是描述阻力大小的物理量，可通过测量压降和平均流速计算得出［7］。Cf=2τwρU2=ΔpHWρU2(H+W)L(1)式
粒子图像测速法(简称PIV)能够测量流动截面上瞬时速度矢量。实验主要设备包括:激光发射器、CCD相机、图像处理软件、激光臂和同步器、激光片光源如图3。拍摄时，需要提前设定时间间隔和曝光时间，调整激光片光源平面与矩形管道展向中心线共面与CCD相机镜头垂直。相机拍摄频率为50—250Hz，每次拍摄图像80张。原始粒子图像处理时分辨率分别设为30×18，34×6，窗口重叠率设为80%，最终在测量平面内得到156×100(流向×法向)个二维瞬时速度矢量场。图3PIV布置图Fig．3PIVlayout1．3数据处理方法范宁摩擦系数Cf是描述阻力大小的物理量，可通过测量压降和平均流速计算得出［7］。Cf=2τwρU2=ΔpHWρU2(H+W)L(1)式中:Δp为测试管段压降，Pa;H，W，L分别为测试管段宽度、高度和长度，mm;ρ为流体密度，kg/m3;τw为壁面对测试管段流体的剪切应力，Pa;U为流体的平均流速，m/s。定义减阻率ＲD=Cff－CfrCff(2)·65·
【参考文献】：
期刊论文
[1]方形管道内壁面微结构对湍流减阻效果的影响[J]. 李恩田,吉庆丰,庞明军. 化工进展. 2017(11)
[2]Drag-reduction behavior of an unusual nonionic surfactant in a circular pipe turbulent flow[J]. 蔡书鹏,HIGUCHI Yuta. Journal of Hydrodynamics. 2014(03)
[3]表面活性剂减阻水溶液在紊流边界层中的流动结构[J]. 蔡书鹏,唐川林. 四川大学学报(工程科学版). 2007(03)
本文编号：3041503
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