湍流减阻意义与工程应用

湍流减阻意义与工程应用

摘要：湍流减阻的原理与粘性减阻的定义应用，高分子聚合物在湍流中的原理解释，从不同的方向阐述了当今流体湍流减阻的研究成果，展现了湍流减阻的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流减阻的前景,并对湍流减阻的发展提出了一些建议和设想。

关键词：湍流减阻；粘性减阻；高分子聚合物；湍流

Turbulent drag reduction significance and engineering application

Abstract: the principle of turbulent drag reduction and viscous drag reduction the definition of the application of polymer in the turbulence theory to explain, in different directions this paper expounds the current research achievements of fluid turbulent drag reduction, showed the in-depth of turbulent drag reduction for the important role of science and technology and social development, the outlook of the turbulent drag reduction, and puts forward some Suggestions on the development of turbulent drag reduction and ideas

Key words: turbulent drag reduction; Viscous drag reduction; Polymer; turbulence

人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化,预测方法不断改进。随着我国飞速发展，所需的战略型资源--化工石油越发紧缺【1】。同时，随着我国大部分油田开发进入中后期，采出油品的流动性不断恶化，使得管道输送阻力急剧增大，运营成本剧增。因此如何降低石油及其产品的管输阻力成为国内外众多学者研究的热点和难点问题。

自从Toms,Kramer先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现减阻以来,减阻现象与边界剪切湍流产生的基本规律密切相联【2-3】。粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件,依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流动的运动和动力学特性,从而达到减阻目的的技术【4】。

1、粘性减阻

当粘性流体沿边界流过时,由于在边界上流速为零,边界面上法向流速梯度异于零,产生了流速梯度和流体对边界的剪力。边壁剪力作功的结果消耗了流体中部分能量,并最终以热量形式向周围发散。边界面的粗糙程度,决定微观的分离和边界的无数小旋涡几何尺寸的差

异,从而决定流体能量消散的差异和阻力系数的差异[5～7]。如想达到粘性减阻,首先要实现壁的光滑减阻;就要改变层流边界层和湍流边界层中层流附面层的内部结构:

1)减小层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值和流体对边界的剪力,减小通过粘性直接发散的能量值,达到减阻。

2)增大层流边界层和层流附面层的厚度,从而达到减阻【8-10】。

2、高分子稀溶液

高分子稀溶液减阻是通过从流体内侧边界创造条件,以实现减阻。长链高分子稀溶液能导致减阻的共同特点是:其额定分子量数量级都是高达百万的。从减阻的结果来看它只对湍流有效；而对层流则无效。而且只有当高分子稀溶液注入到临边界区域时,才能实现减阻[14～15]。

第一种认为减阻作用是由于减阻剂使边界层产生了滑动。

第二种认为是由于高分子稀溶液延缓了近壁区层流向湍流的过渡,使层流附面层增厚了,流速分布发生了弹性变形,出现“缓冲层”。

第三种认为是稀溶液改变了流体粘性。

从化学角度来看,当在附壁区受流体剪力作用时,卷曲的分子链将直化。而解除外力后则力图回缩至原状,具有弹性,故较容易与层流附面层发生同步波动。归根到底,高分子化学稀溶液能在内外流中起减阻作用,是由稀溶液中溶质的化学结构所决定的。在化学结构中,影响和决定减阻的主要因素是大分子的链环数[18],每链环的分子量值。

如果高分子结构,浓度所决定的宏观力学指标使得近壁薄层具有弹性,对层流附面层波动具有完全的柔顺性,而链网内部阻力损失很小,那么它就有良好的减阻效果。但高分子在受到流动剪力或其它机械力易产生降解,从而降低和丧失减阻性能并有较昂贵的费用[19]。表1为过去几十年中较通用的几种材料和有效的减阻浓度范围【12-13】。

表1 高分子减阻器

Table 1 polymer drag reduction

3、高分子聚合物对湍流漩涡的作用

聚合物湍流减阻的基本思想就是最大限度地阻止湍流的迸发，即降低湍流迸发频率和强度。只有在流动漩涡为非对称流动的情况下，其中的聚合物才可能存在反向扭矩，当湍流漩涡遇到阻碍其运动的壁面时，发卡型漩涡变得不对称，导致聚合物产生反向扭矩，而发卡型漩涡偏离其自身中心对称轴。从而高分子聚合物可以利用自身具有的粘弹性反向扭矩抑制湍流漩涡的旋转翻腾，进而降低湍流程度，减小流动阻力【16】。

4、减阻剂

减阻剂是一种减少液体管道内摩阻损失的化学制品，是高分子聚合物，属碳氢化合物。早在1944年，美国麻省理工学院就研究了能够减阻的物质【17】。1947年美国海军研究院开始进一步的发展研究。在60年代后期，美国的生产厂家己开始对减阻剂进行研制生产。1979年美国Conoco公司生产的CDR减阻剂开始应用在横贯阿拉斯加的原油管道上。自80年代初以来，在世界范围内，海上、陆上有几百条输油管道都陆续应用了减阻剂【21】。