高聚物减阻机理的研究综述

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

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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:A

1 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,

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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!u2

T+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