添加剂湍流减阻流动与换热研究综述

第38卷第3期力.学进展Vol.38 No.32008年5月25日ADVANCES IN MECHANICSMay25，2008添加剂湍流减阻流动与换热研究综述*焦利芳李凤臣↑哈尔滨工业大学能源科学与I程学院，哈尔滨150001摘要添加剂湍流减阻是指在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种表面活性剂从而使湍流阻力大大降低的现象.从其被发现至今,经过近半个世纪的研究(实验研究、理论分析、数值模拟和实际系统的应用研究),尽管对这一现象及其实际应用价值已有了较为深入的认识,但仍有许多方面尚有欠缺,例如对湍流减阻的机理仍然在探索中.本文归纳评述了高分子聚合物或表面活性剂添加剂湍流减阻流动与换热现象的研究现状,从湍流减阻剂的特性、减阻剂的湍流减阻机理、湍流减阻发生时的换热机理、减阻流动速度场分布和换热控制等几个方面综述了添加剂湍流减阻流动与换热特性,并综述了湍流减阻剂在实际工业系统中的应用情况,在对添加剂湍流减阻机理、有湍流减阻发生时的对流换热机理等的理解方面进行了新的总结.关键词高分子聚合物， 表面活性剂，湍流减阻,对流换热,节能1引言湍流减阻的认识日渐丰富,湍流减阻现象在实际应用方面也取得了一-定的进展.本文旨在对添加1948年Tomsl1首次报道了在液体湍流中添.剂湍流减阻的研究现状做一综述,主要从湍流减加少量的高分子聚合物会使湍流阻力大大降低,阻剂的特性、湍流减阻机理、湍流减阻流动的换该现象后来被称为"Toms效应”.在强剪切力、高热机理等几个方面阐述.本文的另一个目的是对温等因素作用下，高分子聚合物的柔性分子长链我国在添加剂湍流减阻领域的研究现状做一调查,结构被破坏,且破坏后无法自动修复,导致其减阻因此-一些共性的方面主要介绍我国学者的研究成效果的永久性丧失.20世纪90年代开始某些表面果,在减阻剂的实际应用方面也着重介绍了我国活性剂添加剂也被发现具有减小湍流阻力的作用,的应用研究情况.并且其减阻性能在受到剪切力、温度等因素影响而暂时丧失后，待流动状态恢复到有效减阻参数2减阻剂的特性研究范围内时可自动、快速恢复.在实验室中的直管道理想条件下，对于水的湍流摩擦阻力在加入表面2.1 减阻剂简介活性剂减阻剂后最高甚至可降低90%(2],即推动相1948年，Toms首次发现高分子聚合物的湍流同流量的水流动只需要原来泵功率的10%.在实减阻(drag reduction)现象(1,引起了学术界广泛际应用系统中,因管道比较复杂，如弯管、分支、突注意 1949 年, Mysels注册了第1个减阻剂专扩(缩)、换热器的不规则形状等的影响,会使减阻利问。20世纪60年代，减阻剂的研究已取得了效果降低,但在合理的流动条件下，高分子聚合物很大的进展.我国在80年代中期才开始减阻剂减或表面活性剂添加剂湍流减阻率-般仍可达50%阻的研究,也取得了一定的效果.左右这-减阻效应无疑拥有很大的应用潜力,可这里所说的减阻剂专指那些只需添加微量即用于降低长距离液体输送系统或液体循环系统的可使流体的湍流摩阻显著降低的化学添加剂经驱动泵功率,达到节能、增输的效果.过过去60多年的研究,已发现很多有效的减阻剂，经过近半个世纪的不懈努力,人们对添加剂可分中国煤化工:些表面活性剂.收稿日期: 2007-07-23,修回H期: 2008-05-15YHCNMHG.●哈尔滨科技创新人才专项基金(2006RFLXS013)资助项目↑E mail: lifch@hit.edu.cn340力学进2008年第38卷其中，高分子聚合物减阻剂可分为油溶性和水溶子型和非离子型3大类.表1中列举了几种常见.性两种;表面活性剂减阻剂可分为阳离子型、阴离的减阻剂表1常见减阻剂举例序号减阻剂类型物理性质减阻效果实例备注聚氧化乙烯水溶性Mn =3x 104水中: c= 10mg/l,其减阻液温度(PEO)41高聚物~4x 104Re=5x 104,越高减阻性能易老化,易降解.DRmx%≈72%.越差.聚丙烯酰胺M=1x 107,水中: c= 20mg/l, .(PAM)(51高聚物.静置老化不明显,Re=2.5x 104,易降解.DR%≈73%.Mn≥9x 107,其减阻液减阻(PAM)6]抗剪切性能差.性能几乎不受温度影响.4乙丙共聚物油溶性Mn = 0.734 ~ 6.12x 105,0号柴油中:[m]越大,DR越(EP)7]d=1.39~2.38,易老化,.DR%≈19%大;且DR值与[m] = 1.42 ~ 7.83,易降解.~ 66.8%.碳链C3含量有关.辛烯-十无定型结构,原油: c= 5mg/,在c= 12 mg/1时,四烯闾共聚物.无结晶峰.D=25.4mm可达最大减阻率DR% = 15% ~ 35%.DRmax% = 50%美国CONOCOMw = 3.85x 10%,柴油: c= 5mg/), .装运容积小，.公司生产的共聚物Mn = 2.09 x 10%,Re=14x 10*,存储运输方便.LP减阻剂间DR% = 33.0%.芬兰NESTE公Mw =7.08 x 10%,柴油: c= 5mg/L,对比6和7,共司NE减阻剂间均聚物Mn =4.21 x 10,Re= 1.4x 104,聚物比均聚物(辛烯.十二烯)抗剪切性较6号减阻剂差.DR% = 37.1%.抗剪切能力好聚乙丁烯Mn =6.2x 105原油: c= 10.8 mg/,d越大减阻效(PIB)/10|~8.4x 105,V = 2.5m/s,果越好d= 1.4~ 2.38,D=25mm,[n| = 10~ 12,易降解.DR%≈20%.g聚a烯烃叫M=4.1x 10%,最初柴油: c= 10mg/l,生产安全性高，新疆大学研制分解温度300°C,DRmax% = 40.1%,成本低，存储、凝点低于-50°C,FImx% = 32.69%.运输方便.流动性较好、难挥发1阳离子表面表面具有降解.水中: T = 28.59C在表面活性剂活性剂2活性剂可逆性.质量分数0.1%/0.1%,溶液中加入C.TAC/NaSal(附加0.1%的NaCl)NaCl溶液可增中国煤化工减阻能力MHCNMHG*表中符号说明: Mn数均分子量, M黏均分子量, Mw重均分子量, D流道水力直径，d分子量分散度, [m]特性黏度，c减阻液浓度, Re流动雷诺数, DR%减阻百分率, FI%增输百分率, v流速第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述3412.2减阻剂的特点间的矛盾.因此，针对某些应用场合人们开始了对具有减阻效果的高分子聚合物有以下共同特新型减阻剂的探索.点:20世纪90年代,人们又发现了另一类减阻剂:(1)分子结构呈直链型.主链越长,支链越少，表面活 性剂.将表面活性剂加入水中,在一定的浓减阻效果越好.度、稳定剂和剪切力的作用下，大量小分子会聚集(2)分子量很大(-般情况下认为分子量应大形成一 种类似于高聚物分子长链结构的棒状结构,于50000方能减阻).实验研究表明同一类型的聚进而相互交织成网状，发挥减阻功效.与高聚物相合物分子量和减阻率的关系可表示为([.3)比,它最大的优点就是具有降解可逆性.即在高剪切力(或高温)作用下,其棒状结构会暂时被破坏，DR/c= K(M - M)(1)但是待剪切力(或流体温度)降低后,它又可再次式中: Mc为聚合物刚开始产生减阻作用的分子量;形成棒 状结构,继续发挥减阻功效.表面活性剂溶M为聚合物的分子量;DR/c为聚合物单位浓度的液内部形成棒状微观结构有一个浓度要求,只有减阻率; K为实验常数,与减阻剂的类别有关.由浓度达到某一阀 值才会产生棒状、网状微观结构,(1)式可见，相同类型的聚合物分子量对减阻率的从而产生减阻功效.此外它本身的化学性质,有可影响呈线性关系,分子量越大，减阻率越高.能会对壁面或溶剂存在不利影响.后两点是它最(3)分子量分布:高分子聚合物都具有一定的大的局限和不利.分子量分布，在一定条件下，高分子的减阻性能近年来还研制出了能解决减阻共聚物的超高与分子量分布有很大关系根据分子量分布的不分子量与易降解之间矛盾 的缔合性高分子减阻同可以将高分子聚合物分成共聚物和均聚物两种，剂 [14,便于储存和运输的微囊减阻剂等,此不详研究表明,共聚物比均聚物的抗剪切能力要好,因述此减阻效果也更好些对高聚物减阻剂湍流减阻.3影响减阻剂减阻效果的因素效果与分子量间的关系一般有两种解释,一种认根据以上减阻剂的性质可知，减阻剂本身的为减阻与高聚物的平均分子量有关,而另一-种认物理和化学性质(如高聚物分子结构、分子量、分为减阻与高聚物的高分子量部分有关.可见，后一子量的分布情况等)对其减阻效果有明显影响.除种解释更为合理.(4)高分子聚合物与溶剂有很好的兼容性,不此之外，还有一些因素决定着减阻剂的减阻效果.会改变溶剂本身的化学性质,一般不影响溶剂的具体分析如下:后处理工艺(1)减阻剂添加浓度:最早由Virk提出减阻剂(5)添加极少量的高分子聚合物便有显著的减的添加浓度影响着管道内流动的弹性底层的厚度,阻效果.如在流动雷诺数Re=5x 104时，在水中.浓度越大，弹性底层越厚,减阻效果越好[5.理论加入1 mg/l的聚氧化乙烯,减阻可达40%左右4.上，当弹性底层达到管道轴心时,减阻效果达到极(6)易降解，抗剪切性能差,受温度影响大.在限,表现为管输排量增量最大.湍流流动的高剪切力(或高温)作用下,其分子长(2)流动雷诺数:添加剂减阻现象只有当流动链极易断裂,从而降低甚至丧失减阻能力,这种降处于湍流时才会发生，而且在湍流减阻现象发生解称为剪切(或温控)降解.且高聚物的降解是永.后,在一定范围内减阻率会随雷诺数增大而增大.久的不可逆的.研究表明,聚合物在溶液中的降解对于一定浓度的减阻剂溶液流动来说，存在一临速率和聚合物的浓度、分子量及溶剂的性质有关.界雷诺数,在该雷诺数下减阻效果最好,再继续增聚合物的浓度越高,降解速率越高,并且随着溶剂.大流速，减阻效果开始不断减弱直至消失[161.对聚合物溶解能力的变差,降解速率增高;聚合物(3)流动通道的影响:一般来说,流道当量直的分子量越大，降解速率越大.径越中国煤化工(即起始雷诺数从以上高聚物减阻剂的性质可知，用量小、经越小)，CcNMHG粗糙度也对湍济、对溶剂无影响的特性是其最大的优点;然而,流减阻坝象有影响，一般米侃租槌度越大,减阻效易降解、抗剪切性能差、且降解的永久性又是它果越明显. 此外,流程中的三通、弯头、阀门、变径最大的弊端.经过多年的研究仍未解决这两者之管都将对减阻产生负面影响.342力学进银2008年第38卷(4)流体温度:减阻剂都有其适用温度范围,并厚度也增大,当弹性层扩展到管轴时,减阻就达且一般在适用温度范围内随温度升高减阻效果星到了极限.该假说成功地解释了最大减阻现象,而下降趋势.超出适用温度范围,减阻剂失去减阻功且也可以解释管径效应.但按照Virk的假说,最能,此现象也被用来进行添加剂湍流减阻流动控大减阻时的浓度应与j最大传热减小(heat transfer制.reduction)时的浓度相等,可实验结果证明是不等(5)溶剂内杂质含量:溶剂中的杂质既包括一的 [17.般意义上的可见杂物又包括不可见的离子等水中含有的金属离子(如钙、镁离子等)和金属氧化阳物(如水循环系统中因生锈而混入的铁的氧化物)对表面活性剂减阻剂的减阻效果有负面影响.对减阻线油溶性高聚物减阻剂的研究表明其减阻效果还与tt油性溶剂的含水率等有关.3添加剂湍流减阻机理研究黏性底层溶剂线尽管目前对化学减阻剂已经有了相当规模的010102104工业化应用，并且对影响减阻效果的一-些因素己.y+有了一定的了解，但由于对湍流本身的了解还不.图1弹性底层模型够全面，添加剂在湍流中产生减阻的原因至今尚不十分清楚.围绕减阻机理,曾提出一些假说和模3.3 湍流脉动抑制说型，但没有--种理论可以圆满解释添加剂湍流减由于高聚物和表面活性剂减阻剂只对流动处阻流动中所有的实验现象,因此，减阻机理还有待于湍流时才有减阻效果,故有人提出，减阻是由于于深入研究.日前为止已发表的几种较有代表性溶液中的减阻剂抑制了湍流旋涡的产生,从而使的理论简介如下.脉动强度降低，减少了能量损失，最终结果是发生了湍流减阻现象.针对这-观点的正确性,曾有两3.1伪塑说种不同的判断.到目前为止所有有关添加剂湍流Toms[1最早提出,聚合物溶液具有伪塑性,剪减阻流动的研究结果中,都得到了垂直于壁面方切速率愈大，表观黏度越小，溶液通过管道流动时,向上湍流速度脉动强度降低的结论,一部分学者壁面附近剪切速率大,黏度降低,从而使流动阻力认为在流向上的湍流强度却有所加强，这是基于降低.经过后来大量的实验和理论研究表明,聚合比较牛顿流体湍流和减阻湍流中主流向无因次脉物添加剂湍流减阻机理要复杂得多，目前这种理动速度强度而得出的结论(18~2]. 这里的无因次论已被否定.速度脉动强度是通过除以自身工况下的摩擦速度3.2有效滑移说得到的.李风臣等在其文章中对此进行了分析(23),Virk根据管流速度分布测量的结果提出了弹认为用各自工况下的摩擦速度作为无冈次参数并性缓冲层的流动模式[15. 认为聚合物的加入在管不确切,而应该用各自工况下的平均速度(同时反壁的层流底层和湍流核心之间生成--弹性缓冲层，映了流动雷诺数).用平均流速作无冈次参数重新此层的速度梯度较大,使湍流核心部分的速度分检验前人的研究结果发现,所有的湍流减阻流动布曲线相对于牛顿流体的速度分布曲线向上移动中各个方向上的湍流度都是降低的.因此,湍流脉了一个距离,即湍流核心部分的速度增大值.将此动抑制说来解释湍流减阻在定性上可认为是正确的，:不只是减弱了湍数值称为”有效滑移"(见图1所示).由于湍流核心部分速度加大，相同条件下通过的流量增加，故流肠中国煤化工流的结构(-0.0CNMHG发生减阻.弹性底层是聚合物分子与流动发生作3.4而流脉切解稱假说用的区域,也就是发生减阻的区域.目前很多的研究表明，减阻剂对湍流的作用，根据Virk的假说,减阻剂浓度增大,弹性层是降 低了轴向脉动和径向脉动的相关性,这种作第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述343用称为“解耦".由于湍流脉动的解耦减小了雷诺Bewersdoff等[37]应用冷中子小角度散射测量应力,根据FIK(Fukagata-Iwamot-Kasagi)公式[31])技术,观察了一种表面活性剂溶于重水中所成胶可知雷诺应力的减小直接导致湍流流动的摩擦囚束的变形特点、发现溶液静止时，胶束呈现椭球子降低,发生减阻现象.实际上,雷诺应力的减小是形，椭球的长短轴随机取向,溶液在湍流时,椭球湍流脉动解耦和湍流脉动抑制两方面共同作用的长轴的取向具有 -定的方向性.该结论也与应力结果(1,23,.2~34.3这一假说在定性上也是正确的.各向异性假说相符.目前该方向上的研究并未最终定论,与黏弹3.5黏弹说具有减阻效果的高聚物溶液和表面活性剂溶说究竞孰对孰错仍有待继续深入研究液一般都表现出黏弹性这种流变学物性.随着黏3.7涡旋稳定假说弹性流体力学的发展,有人提出高聚物和表面活在湍流中，流体的流动阻力主要是由尺度大性剂减阻剂溶液的减阻作用是由于其黏弹性和湍小随机、运动随机的旋涡形成的.尽管旋涡的形成流旋涡之间发生相互作用的结果.位于高应变速是随机的，但旋涡总是逐渐分解而产生尺度越来率区的减阻剂溶液内微观结构(高聚物分子链或越小的旋涡(能量级联),直至分解到相对于该流表面活性剂溶液内的网状结构)可以将载能涡旋动雷诺数下的最小尺度涡(Kolmolgorov尺度涡),区中由小尺度涡旋耗散的能量吸收并贮存在伸展旋涡能量最终冈流体的黏性变成热能而耗散掉.的微观结构中.当储能微观结构扩散或对流到低该假说指出，减阻剂的存在，将使湍流中的应变速率区后,将松驰至无规则线团状，其贮存的能量级联发生极大变化,即当紊动流体的雷诺应能量则以弹性切应力波的形式释放给低波数涡旋力与减阻剂溶液的弹性应力处于同一个数量级时，(大尺度涡旋)，大大减小了流体的流动动能的耗能量传递链就被“截断”了,能量耗散无法达到最散,实现减阻.终状态,于是流动阻力就卜降了[38~40.减阻剂湍流减阻机理的黏弹性理论是De3.8表面随机更新假说Gennes提出的[35].黏弹性假设不仅能解释许多对于壁面湍流,其边界层可分成3层:黏性底具有黏弹性的高分子聚合物和表面活性剂溶液的层、过渡层和湍流核心区.黏性底层是靠近壁面的减阻现象,而且还能定量计算减阻率,也是从湍流薄层，其中存在间歇性的湍流脉动.如果把璧面湍物理的角度研究减阻机理、发展新的湍流减阻流流流动的动量传递边界层看成是由-块块的动量动的定量分析理论的有力工具.然而Toonder361传递块所组成，那么这些动量传递块会随机地被的应力各向异性理论的研究使之受到了挑战.来自主流的流体微团所更新，分解成新的流体单3.6应力各向异性说元而产生旋涡,产生能量级联，完成动量的传递和该假说认为，聚合物分子在湍流边界层中.能量的扩散.受到拉伸而取向，从而引起的应力各向异性是.该模型在湍流随机理论和Dankwests表面更聚合物减阻的主要原因.为了证实这种观点新理论[4]的基础上，认为牛顿流体中加入减阻剂Toonder[36]利用激光多背勒测速仪测量了近壁区后,由于减阻剂分子在管壁上形成一-层液膜, 以及的湍流统计量及湍动能谱,构建了两种模型:一减阻剂分子的伸展变形作用，使得管壁上的流体种是粘性应力各向异性模型(viscous anisotropic块难以被更新,阻碍了旋涡的生成,导致能耗减小model, VA), 另外一种是黏弹各向异性模型(is .而达到减阻作用.coelastic anisotropic model, VEA).通过直接数值模近年来,李凤臣等(27,42]2 利用粒子成像测速仪拟(direct numerical simulation, DNS)分析了聚合通过实验研究间接测量了通道内湍流(牛顿流体物结构对近壁区应力张量的影响.计算表明,VA模湍流和表面活性剂溶液湍流减阻流动)的近壁拟型的计算结果和实验数据符合得很好,而引入聚序结构中国煤化，工顷率和强度,并合物弹性冈素的VEA模型的计算结果和实验数把间歇CNMHG作是量子化的据出入较大.这样的研究结果很好地支持了Toon-能量块，刈厂士而饥厚你阻力且按做出贡献,得到der“应力各向异性说”的观点,对传统的“黏弹说”了摩擦系数的湍流项与湍流猝发事件的发生频率是一个挑战和强度成线性关系的结论.相比于牛顿流体湍流,344力学进展2008年第38卷表面活性剂湍流减阻流动中的近壁拟序结构的发为减阻起始点(对应图2中的Ren处).生频率和强度大大降低，直接导致摩擦系数的湍流项大大降低,即湍流减阻的发生.10-1。幣液3.9其他●臧阻液从分子变形的角度, Keyes和Abernathyl43)1分析了涡管在剪切流中的进化情况大分子的变形10-2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1020310405是降低了高分子稀溶液湍流的猝发周期,从而导Re致了湍流减阻.图3减阻起始点4添加剂湍流减阻流动与换热特性研究对应于减阻起始点,存在一个管壁切应力的临界值T,只有流动的壁面剪切应力超过T",减如上文所说,具有湍流减阻效果的高聚物或阻效应才显示出来. T与管径无关，仅与减阻剂表面活性剂溶液-般具有黏弹性这种流变学物性.类别和浓度有关.黏弹性流体由于耍考虑它的黏性与弹性两方面的应启戛44在实验基础上提出了T与聚合物影响,所以它的流动与换热特性和牛顿流体相比分子量及特性黏度的经验关系式有很大区别.M[n] x 10-10 = -0.013 + 239(T)-1(2)4.1添加剂湍流减阻特性按照流动雷诺数(Re)增大的顺序,黏弹性流式中: M为聚合物的平均分子量, g; [n]为聚合物体管道流动可以划分为如下几个区域(见图2所的特性黏度,cm3/g;T:为临界管壁切应力,Pa.示，图中f为范宁摩擦系数).Fabula45)以时间比尺为基准，应用Rouse-Zimm关于聚合物松弛时间的理论,推导出以卜关系式Blasius曲线RT=c(3)减阻溶液摩阻曲线式中:Rg为聚合物分子在静止溶液中的同转半径m|均方根.Poiseuille由以上关系式可见，聚合物分子量越大(回转曲线.Virk曲线半径越小,减阻起始所要求的临界壁面切应力T:值越小，越容易出现减阻.上述关系式均只适用于聚合物稀溶液,因为RerRer Res在聚合物稀溶液的情况下,同一种聚合物在同一管径中可以认为溶液浓度对起始点位置的影响不.图2黏弹性流体管道流动特性示意图大.在聚合物溶液浓度足够大时,这一结论不再成(1)无减阻区和减阻起始点研究表明，对于高聚物或表面活性剂减阻剂对于给定的某种聚合物溶液,减阻起始点的溶液流动均存在一-个减阻起始点, 在该点之前流Re数与管径有关.管径越大， 减阻起始点的Re动无减阻现象出现，该点之前的区域称为无减阻数越大,这种现象称为管径效应区,流体流动特性与牛顿流体相同.中国煤化工流动,其湍流减将高聚物稀溶液在管道中流动的摩阻曲线与阻现象HCN MH G分子在溶液内部纯溶剂的摩阻曲线绘于同一-图上(图3),可见,开形成的棒状结构、进m而网状做观结构,而针对这种始二者重合,从某一Re 数开始，溶液的摩阻曲线微观结构的生成过程、结构特征等尚没有理论模突然”偏离溶剂縻阻曲线.发生偏离的这一-点称型可以描述,因此表面活性剂溶液流动的减阻起第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述345始点、临界壁面剪切应力等还无法通过理论来估T算,只能针对不同工况由实验来测量.(c/M)1/2 .(5)(2)减阻区II= aN2/3减阻起始后,便进入了减阻区,减阻能力随雷诺数的增大而增大.纯溶剂的湍流縻阻曲线在湍式中:T为斜率增量;c为溶液浓度,溶质(g)/溶剂流光滑区符合Prandtl-Karman公式(g); M为聚合物分子平均分子量; N为聚合物分子的主链节数;a为常数,称为斜率模数,由实验得1/√F = 4.0lg(Re√F)-0.4(4)到a=7x 10-7; II为特性斜率增量,它的物理意义是单个高聚物分子对斜率增量的贡献.式中f为范宁(Fanning) 摩擦阻力系数.利用以上两个关系式，如已知聚合物分子主该摩阻曲线公式可以直线画出,见图4.高聚链节数和平均分子量,就可以预测不同浓度聚合物稀溶液的摩阻曲线在减阻起始点之后，也近似物溶液在减阻起始点以后的摩阻曲线的斜率增量,是一条直线,但斜率变陡.溶液縻阻曲线与溶剂摩从而预测一定雷诺数下的减阻率.阻曲线之间的斜率之差称为斜率增量,记为T;T对于表面活性剂减阻剂，尚无相关理论来预标志着减阻起始以后聚合物的减阻能力, T越大,测浓度与减阻率间的关系.减阻效果越好.且T与Re有关,T一定时, Re数(3)衰减区越大，减阻效果越好.添加剂湍流减阻流动的减阻率不会随着雷诺数的增大无止境地增加,对- -定添加剂浓度总存在一个减阻最大点,当雷诺数超过该点雷诺数(对应图2中Re2)以后，减阻进入衰减区,该区域的最大特点是,随着雷诺的增大,减阻率急速卜降,最后减阻作用完全消失.(4)减阻失效区20上随着流动雷诺数继续增大,减阻率变为零的点称为减阻失效点，减阻失效点之后的区域称为减阻失效区.添加剂湍流减阻流动出现如上所述的随流动雷诺数而变化的不同流动区域的特点,在定性上//是由于减阻剂溶液中导致湍流减阻发生的内部微观结构随流动中剪切率变化的动态过程所致.减P-K线阻剂溶液内部的微观结构(高聚物减阻剂的大分子或表面活性剂减阻剂小分子形成的棒状/网状10K2SO4mg/l结构)在湍流中剪切力的作用下会发生同旋、缠0绕、拉伸、变形等运动,归根结底正是这些微观结50构的运动(按照黏弹性理论,拉伸运动起主要作用)与湍流涡之间的相互作用改变了原来的湍流结构104Re√F和强度,使得湍流减阻现象发生.在剪切力很小时(流动雷诺数较小时),微观结构的拉伸等运动不图4斜率增量和浓度效应足以与湍流之间发生作用,因此存在一临界剪切对于给定的某种聚合物溶液,T与管径无关,中国煤化工观结构的运动开仅决定于聚合物的浓度, T大致与浓度的平方根始与酒CN M H G用,即湍流减阻成正比,这种现象称为浓度效应.起始点腿有男切刀利增大(讥动雷诺数的增大),更深入的研究得出了斜率增量与聚合物浓度微观结构的运动增强，与湍流之间的相互作用也以及聚合物分子链节数之间的关系式[13)增强,表现为湍流减阻效果增强.随着雷诺数继续346力学进展2008年第38卷增大,流动内部的剪切力会使得溶液内部的微观性流体流动的Re与Re'的关系来判别其流态.结构在发生如上各种运动的同时,本身开始被局当Re < Re'时,黏弹流流动处于层流状态;部撕裂,原来的长链结构被破坏,湍流减阻效果开当Re≥Re。时,黏弹流流动处于湍流状态.始减弱.当雷诺数达到一定程度,剪切力使得得以临界广义雷诺数Re'e的确定如下[48]产生湍流减阻效果的微观结构及其运动状态全部破坏掉,湍流减阻消失.Rec=二(8)另外,大量实验研究表明,对于给定的管道尺寸及流速(或雷诺数),各种高聚物或表面活性剂减其中:入c =2中(n).dlnnZ;n=n'=din(8V/D)i Zc阻剂的减阻率存在一个最大值减阻达到最大值为稳定性参数,对于幂律流体，Zc=808,n为之后，即使再加大溶液浓度,减阻率也不再增加，此壁面摩擦应力，V_ 为管道流速，D为管道直径.现象为最大减阻效应.达到最大减阻后的摩阻系.(1+3n\" (_ 1数与雷诺数的关系曲线称为最大减阻渐近线它中(n)=n(- n) (n+2)与减阻剂种类、高聚物分子量、溶液浓度、管径等因素无关,是一条普适线.对于高聚物添加剂湍流4.2.3黏弹性流体流动的过渡过程减阻流动,Virk等[461提出了著名的Virk渐近线1990年，何钟怡等人[4])与哈佛大学的Aber-nathy研究小组合作,在黏弹性流速度和能谱测量1/VF = 19.01g(Re√f)-32.4(6)以及湍斑实验的基础上,完善了Virk的非牛顿过对于表面活性剂添加剂湍流减阻流动,Zakin渡过程形式划分.等[2]提出了不同的最大减阻渐近线图5为何钟怡等人(4)在圆管中实验的部分实验结果.图上所绘的3条典型阻力曲线为:λ=4f = 1.26Re-0.55(7)(1)L为牛顿层流摩阻曲线式中λ为管道摩擦因子.16λ=R(9)4.2黏弹性流体流动的流态划分和判别(2)T为水力光滑区牛顿湍流摩阻曲线4.2.1黏弹性流体的流态与牛顿流相同,黏弹性流体流动也存在层流0.3164λ=Re0.23(10)和湍流之分.(1)黏弹性流体的层流状态(3)V为高分子稀溶液最大减阻曲线何钟怡等人提出[47),黏弹性流体的层流状态又可划分为:牛顿型层流和非牛顿型层流.1/vF = 9.51g(Re√f)- 19.0(11)(i)牛顿型层流:与牛顿流的层流状态相同.(i)非牛顿型层流: - -种高阶有序的波动，可0.06 r8●1.5 mg/l以视之为非定常层流运动,它是由于达到剪切率●8 mg/l阀值后聚合物分子由单纯旋转发展为旋转与变形。70 mg/1叠加而形成的.<----- .(2)黏弹性流体的湍流状态0.02 tv黏弹性流体的湍流状态很复杂，目前还没有合适的理论可以对其进行准确描述.然而，研究_x10-3发现，黏弹性流体只有在湍流状态下才会出现减10阻现象,因此对其湍流状态的研究将是日后研究Re的一一个重要领域中国煤化工.过渡过程[.H.CNMH G4.2.2黏弹性流流态的判别这3余出线可以把非十顿流分成4个区,牛仿照牛顿流划分层流和湍流的临界雷诺数,顿层流区(L区)、非牛顿层流区(LV区)、非牛顿对黏弹流定义一个广义临界雷诺数Re'e. 以黏弹湍流区(TV冈)、牛顿湍流区(V区). .第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述347定义由牛顿流型向非牛顿流型过渡的起始点可以在很大的雷诺数范围内保持层流形态,在LV为反应点,该点对应壁面剪切应力用πo表示.对区内逐渐向曲线V逼近，这就构成了L-LV-V 型非牛顿流,由层流向湍流的转捩点对应的壁面剪过渡.切应力用n表示. 1975 年, Viklh给出了的和力4.2.4 临界广义雷诺数Re.与减阻起始雷诺数Ren的特性方程之间的关系Av2p0=胎(12)Re'与Re1之间的相对大小取决于非牛顿过式中:T为反应点的管壁剪切应力;Rc为聚合物渡过程的类型.非牛顿过渡过程的方式不同对应分子的平均回旋直径; v为溶液运动黏性系数; p .的Re'与Rer的大小也不同. T-TV型、L-TV型过渡情况下，Re。< Re; L-LV-TV型、L-LV-V型为溶液密度; A为实验常数. .过渡情况下，Re。> Re1.8Rexv2p7x=二 D(13)4.3黏弹性流体湍流减阻流动速度场特性式中: m为转捩点的管壁剪切应力; D为圆管直4.3.1高聚物添加剂湍流减阻流动速度场定量描述径;Rek为转捩临界雷诺数,与系统的背景湍动强由于对高聚物的大分子结构、化学物理性质度有关.等已有相当的研究和把握，日前为止,对于减阻剂由式(13)可知，因为Rek不是一个常数,随系湍流减阻流动的定量描述几乎都是针对高分子聚统背景湍动强度而变化,所以n也随着系统背景合物添加剂的,而对表面活性剂添加剂减阻流动湍动强度而变化.的描述还只停留在定性的阶段.对高聚物添加剂根据π和n的组合不同,非牛顿过渡过程存湍流减阻流动时均结构的研究,目前的方法可分在4种方式:为两种:实验统计分析方法和半经验半理论法.(1) T-TV型过渡4.3.1.1实验统计分析法当背景湍动较强时,若n< ro,先发生牛顿型通过对实验数据的统计分析和近似处理,得层流向湍流的过渡,因为在壁面切应力(用T表示)到一些经验公式.例如: Seyer和Metzner[50|用两低于πo时,溶液流动呈牛顿型.当r达到σo,开始个公式分段表述时均流速分布规律:产生非牛顿效应,发生非牛顿过渡,反应点在T曲靠近壁面附近用层流线线上，由T进入TV区,因此称为T-TV型过渡.U_ U*y(2) L-TV型过渡(14)v当背景湍动较低时,若n > To,先发生牛顿流式中石为时均速度, u,为摩擦速度, y为距壁面距向非牛顿流的过渡,反应点位于L曲线上.在向湍流过渡时，若减阻剂浓度很低,因阻力增大使T达离,v为运动黏滞系数.到或超过了To, 这时反应点由L直接跃入TV区,核心区用对数线因此称为L-TV型过渡.一= 2.51n00 +5.5+ OB(15)(3) L-LV-TV型过渡U.v‘当背景湍动较低时，若n To，先发生牛顿TYHCNMHG8(17)型层流向湍流的过渡,反应点位于L曲线上.若减.然而，以上得到的流速分布公式并无太多的阻剂浓度很高,湍流背景不足以使其失稳,则溶液实际应用价值.348力进展2008年第38卷4.3.1.2半经验半理论法浮物在非稳定流动通道内的稳定性和减阻性能进通过引入一些假设，建立描述高分子聚合物行了研究研究结果表明,纤维悬浮物对非稳定流减阻流动的减阻规律的方程式，迄今为止, 已经动的减阻率随着其特征尺寸H的增大而增加.有很多学者通过不同的本构方程和湍流模型建立(2)管民、郭凤风等[58]以背朗特动量传递理了描述高分子聚合物溶液流动减阻规律的方程式论为基础,按照卡门的3层模型,通过室内模拟环我国的窦国仁[3~5]在这方面的研究结果比较具道对加入减阻剂的0号柴油在圆管内的流动参数有代表性.的测定，计算了非牛顿流体管内湍流边界层的层窦国仁从黏弹性流体的Maxwell 方程式出发,流内层、过渡层、湍流中心的涡流黏度、涡流黏度导出了黏弹性流体在湍流条件下的内部剪切力公与运动黏度比、总应力随相对位置的变化等定量式在此基础上应用湍流随机理论,得出了光滑明参数,探讨了高分子减阻剂对非牛顿流体流动特渠和管道中减阻湍流的时均流速分布公式和纵向性的影响.结果表明,加入高分子减阻剂主要是由脉动流速分布公式，并导出了其阻力系数变化规于降低了过渡层和湍流中心的涡流枯度而实现减律例如,对于光滑圆管流动,添加剂减阻湍流的小湍流应力,从而降低流体流动的阻力.时均速度分布公式可写为(53] .(3)陈仕伟(59]采用4常数Mxwll-Oldroyd可__=0.251n(1+ 10.V+ (5.8D2 +1.25)x模型研究了非牛顿流体边界层流动,给出了边界u。+ 5vD.层内速度分布数值解,以及边界层厚度、摩阻系数.. U.y/(5vD.)+2.5u.y/(5vD.)_\沿程变化关系.结果表明,与牛顿流体情形类似，非(1 + v.y/(5vD)\1+ U.y/(5vD.)牛顿流体的摩阻系数和边界层厚度均与Re(以主D.=1+auoH日流向位移为长度尺度的流动雷诺数)成指数规律,(18)同时,发现减阻流动中的入口段流动,摩阻系数几.其中a为无因次剪切力变化率的绝对值与无因次乎与Rex无关，只与松弛时间和推迟时间的比值流速梯度的绝对值的比值, u。 为摩擦速度, H为宽(用K表示)有关.且K值的增大不仅会减弱湍流明渠的水深或管道的半径θ为流体的松弛时间,流动的脉动产生的阻力,而且可以减少层流阻力.0m为聚合物分子的松弛时间, y为距壁面距离, v在相同的K值下，湍流减阻效率近于层流减阻效为运动黏滞系数.管道流动阻力系数可写为[55率的一倍.随着K值的增大，非牛顿流体的黏弹性增强,剪切稀化性质增强,摩阻下降且管道入口段增长.该研究为探讨高分子稀溶液管内流动减(25_. 23.2D:+5_ 34.8D: + 10 .阻提供了理论依据Co= (2.(w.ro/5vD.)- (o.ro/5vD.)2)]x(4)李兆敏和蔡国琰[60]运用混合长度理论和uD)+5.8D3+;34.8D2 + 10Maxwell流体模型,从理论上推导出了Maxwell流(1+(v+ro/5vD.)2(19)体在湍流流动过程中的速度分布和摩擦阻力系数.其所得的速度分布和摩阻系数的表达式可以描述其中,ro为圆管半径.出流动阻力的减小和层流向湍流转捩的延迟.并4.3.1.3 我国学者的其它相关研究及其结果且用激光多普勒测速仪(laser doppler anemometer,(1)林建忠、邵雪明等[56] 采用FENEP模型LDA)测试了PAM水溶液的湍流及减阻特性,实.对高雷诺数下二维黏弹性混合过程中拟序结构的验结果和理论验证较吻合.演变进行了数值模拟研究.计算结果表明,在流场(5)吴玉刚等(61]提出了一一个高分子聚合物抑中加入聚合物,基波和次谐波的发展受到抑制,涡制湍流的模型，并依此推出了减阻流体的速度分量扩散加强、减慢了配对时两涡量的旋转运动，这布公式和麼阳系数乃换执系数的数学表达式.种影响随Weissenberg数(流动特征时间与流体松中国煤化工弛时间之比)的增大而减小，但却随表征聚合物拉4.3.2l流动速度场的定HCNMHG伸特性的参数的增大而加强.另外,与相同溶液粘工佃x度下的牛顿流体相比,配对过程中涡量完全合并如果说以上窦国仁等的理论研究使我们可以的时刻延迟了.林建忠、游振江等(57] 还对纤维悬定量地了解关于高聚物添加剂减阻流体的流动规第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述349律,那么下面王德忠等人的实验研究,使我们可以著降低且两者主要在壁面附近(y+≈90)存在最定性地了解关于对表面活性剂减阻流体流动的速大差异.度场特性.以上实验研究结果与国外报道的一些相关研王德忠等[62) 应用粒子成像测速仪(particle究结果一致(2.2.2.30.4.0.3.34.0image velocimetry, PIV) 和相位多普勒测速仪(phase doppler anemometry, PDA)在二维流道内对r/ms"十六烷基三甲基氯化铵(Cetytrimethyl Ammonium0.421 5650.80.318 75Chloride,CTAC)表面活性剂溶液减阻流体湍流流0.2159340.113 119场进行测量,得到了减阻流体湍流速度分布图,得三出如^卜结果.s 0.4(1)减阻流体的速度梯度变化规律如图6所示，在流道中心处减阻流体的速度梯度较水湍流流动时大,而在近壁面处则恰恰相反.并且在近壁面处,减阻流体的速度分布曲线趋近于牛顿流体层状流动时的速度分布曲线，但并(a)水流不重合于此曲线.图6中U为管道内距离管壁y.r/m-s-1处的时均流速，U,为流动断面平均流速,y为距壁0.501 360.0.375 958面的距离, H为二维矩形管道高度.的0:25500.41.2水0.2-1.00.2 0.4 0.6 0.8 1*/H. CTAC 60x10- 6kg/l(b) 60 mg/1 CTAC水溶液流动层流图7通过PIv系统测得Re=41589,T=25°C时流场中瞬时速度空间分布轮廓线图(62)1.5 2.04.4添加剂湍流减阻流动的传热规律y/(H/2)目前国内对添加剂湍流减阻流动的传热规律图6 25°C, Re=41 589时,通过PDA系统测得流场内各的研究还比较少.下面分3个部分来对其进行介点平均速度分布图(光滑线表示牛顿层流流动场绍.第1部分为减阻流体传热特性的定性描述，第内各点的平均速度分布)(62)2部分为减阻流体的传热控制措施,第3部分为湍(2)减阻流体时均速度空间分布流减阻流动对流换热减弱的机理.减阻流体速度轮廓线图在近壁面处与流道几4.4.1添加剂湍流减阻流动的传热特性乎平行(图7),且该平行轮廓线部分所占的比例较水湍流流动时相应部分要宽很多.而且，在近壁面4.4.1.1高分子聚合物添加剂对湍流对流换热的影处减阻流体的涡流随机运动幅度与水湍流流动时向相比明显大大减小.由此表明,这些变化应该都是我国对于高聚物溶液的对流换热的研究报告,由于过渡层(弹性层)的变厚和近壁面处即黏性底最早见于1987年蔡国琰的流体黏弹性对湍流流动层速度梯度的减小而导致的.与传热中国煤化工采用混合长理另外，处于最大减阻状态的溶液，其横向速论和Y片CN MH C了阻力系数与度脉动和主流方向速度脉动均明显小于牛顿流体;换热系数.晰冗衣明，猫弹任公降低流体的换热性减阻流体的主流方向速度脉动和横向速度脉动之能;所得的公式进--步表明,黏弹性对换热系数的间的关联被抑制，其雷诺应力与牛顿流体相比,显影响与背朗特数和雷诺数有关,随着普朗特数增350力学进畏2008年第38卷加,黏弹性影响加强;随雷诺数增加，影响变弱.究.4.4.1.2表面活性剂对湍流对流换热的影响利用表面活性剂剪切可逆性,考虑在管道局马祥琯和陶进(66通过对表面活性剂圆管内部添加金属网筛、蜂窝结构、混合器、流体挤压流动的减阻特性和换热特性的研究发现，表面活器、旋涡发生器等破坏装置的方式，对湍流减阻流性剂的加入使湍流在减阻的同时对流换热系数也动的减阻和换热可以进行控制和调节.其原理是大幅度降低另-方面也发现,表面活性剂溶液具当流体流过破坏装置时,受到高剪切力的作用,使有剪切可逆性及温变可逆性,利用该性质可以对表面活性剂水溶液中的胶束结构暂时被破坏,提其湍流的对流换热进行控制.剪切可逆性及温变高破坏装置下游流动的换热效率;而后因为表面可逆性决定了表面活性剂减阻剂比高聚物减阻剂活性剂具有自恢复能力，待其棒状胶束结构重新具有更广阔的工业应用潜力,尤其是在有换热设形成后,其减阻功能自动恢复,从而达到整个系统备和泵的液体循环系统中.在减阻的同时提高换热效率的目的.继马祥琯等对表面活性剂溶液的流动和换热一些实验研究表明[70~74,表面活性剂减阻流特性的研究之后，直到近几年才开始对其进行进体 在通过破坏装置后，在其下游确实起到了强化一步的研究.2006年董正方等研究[67]表明,CTAC换热的效果,同时减阻效应减弱甚至消失;经过一表面活性剂水溶液湍流减阻流动的换热系数柯尔段距离的流动后， 减阻性能自动恢复.朋因子(Colburn factor)与阻力系数之比(用K'表此外,还可利用添加剂湍流减阻现象的管径示)与牛顿流体(水)的情况有较大差异.当减阻效应来进 行流动和换热的控制与调节,前面已经流体的减阻率稳定时，随着Re数的增大, K'值缓提到， 对于一定浓度的减阻剂溶液流动，管道的慢下降;达到减阻失效的临界Re数后,K'值波动水力直径越小，发生湍流减阻的临界壁面剪切应较大,并且K'值迅速增大到接近没有添加减阻剂力越小(即减阻起始雷诺数越小。与之相似， 对的水平.这些实验结果与国外的相关研究结果--定浓度的减阻剂溶液流动,管径越小，湍流减阻致13368.0.具体描述如下:效果开始减弱进而消失的雷诺数也越小.利用这(1)当CTAC水溶液减阻流动的减阻率稳定一特点，可以在需要强化换热处局部缩小管道水时,随着雷诺数的增大,柯尔朋因子与阻力系数比力直径使之对应于该减阻剂溶液浓度下的减阻效值小于0.5且随雷诺数增大缓慢下降;达到临界雷果减弱或消失的管道直径和流动雷诺数,从而达诺数后,柯尔朋囚子与阻力系数之比值波动较大,到局部对流换热强化的效果包括我国学者在内，.并且比值迅速增大到接近0.5.已有一些研究结果证明了这一控制措施是有效(2)热流密度对CTAC水溶液减阻流动传热的[6,75.系数与阻力系数之间的关系有影响.增大热流密4.4.3湍流减阻流动的对流换热减弱机理度后，靠近加热板的CTAC水溶液的温度升高到一定程度, 导致了减阻流体的胶束网状结构部分李风臣等(3,33,33应用LDV和微细热电偶测被破坏从而出现阻力系数增大,同时传热性能增.量技术，首次测得了二维通道内被加热的表面活强,使得CTAC溶液流动的柯尔朋因子与阻力系性剂水溶液湍流减阻流动中的速度场与温度场的耦合信息，从而全面研究了减阻流动中对流换热数的比值趋于不加CTAC时的情况.(3) CTAC水溶液减阻流动传热系数和阻力系减弱的机理.分 析结果表明，湍流减阻流动中温数与希尔顿-柯尔朋类比关系存在差距,减阻率越度脉动与垂直于壁面方向速度脉动间相关性降低大,差距越明显;减阻率越小,越接近希尔顿-柯尔(解耦现象),加上速度脉动强度降低，导致了垂直朋类比关系.于壁面的湍流热流密度大大降低,根据推导出的由湍流热流密度直接计算努谢尔特数的公式可知，4.4.2湍流减阻流动的换热控制湍流减阻流动的努谢尔特数大大降低.另外,实验表面活性剂溶液在具有良好减阻性能的同时，研究还发现湍流减阳流动中的湍涡动量扩散系数其流动的换热性能却显著降低这-现象有利有及湍中国煤化工低弊.-方面,它有利于流体在传递过程中减少热量iYHCNMHG的损失;另一方面,其所携带热量的利用就出现困5减阻剂在找国时应用情况难,对一些需要加强换热的设备(如换热器)影响了其工作效率.这就涉及到了有关传热控制的研目前,有关添加剂湍流减阻现象的研究已成第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述351为一门涉及到实验流体力学、计算流体力学、理论还能够有效解决管线卡脖子引起的诸多问题流体力学、流变学、高分子化学等的边缘学科,而例如有 -沿海采油/炼制综合系统,在去邻近炼油减阻剂的应用也成为独特的综合性工程厂的脱气原油管线.上曾出现卡脖子现象,使得岸上的稳定装置不能够更多接受海上输送来的轻原5.1减阻剂在石油运输上的应用油.加入减阻剂后，该Dg700管线减阻23%,增输5.1.1国外减阻剂在石油运输上的应用简述(76~78]7%,使油田和炼厂的产量都得到了增加.1979年7月,美国纵贯阿拉斯加输油管道试(4)使用减阻剂改善输油的经济条件用高聚物减阻剂成功后,由于这种技术能大大提以众所周知的纵贯阿拉斯加的管道为例，由.高管道运力的弹性,在其后短短的几年内便有十于成功地应用了减阻剂,停建了7号和11号泵站，几条管道推广应用，其应用范围遍及北美洲、拉丁仍能经济地达到设计输量的事实.美洲、欧洲、亚洲和大洋洲.而且减阻剂减阻技术不但适用于陆上管道,也适用于海底管道.自205.1.2国内减阻剂在石油运输减阻上的研究和应用世纪80年代初以来,在世界范围,陆上、海上有几鉴于国外在减阻技术上的成功应用，我国从百条输油管道陆续应用了减阻剂,迅速而经济地20世纪80年代初开始，也先后做了大量的减阻解决了许多棘手的问题,例如:剂减阻在输油管道中的应用试验.在试验基础上,(1)应用减阻剂以适应季节的变化分析了减阻剂的增输、减阻效果,及减阻剂在我国季节变化会引起对不同油品需求量的变化、实际应用的经济情况，为减阻剂在我国输油管道油品牌号的变化，还会造成所输油品物性的变化，中的应用奠定了基础.试验表明,减阻技术能够得使输送产生困难.为解决这些问题，国外已广泛使以迅猛发展，除了技术上的先进性外，经济上的合用了减阻剂，并获得成功例如，美国西南部一理性也是重要的原因.在能源费用,管道建设器材,条Dg200的成品油管道,曾遇到夏季汽油用量增人工费用上涨的形势下,与增建泵站,敷设副管相大,有96.56km管道出现卡脖子的问题这种短期比,减阻剂应用具有快速、经济的优势.而近年来,性的问题平衡不了投资费用.结果采用减阻剂迅国内减阻剂的研制也有很大飞跃, -些减阻剂已速、经济地解决了问题.摩阻下降了40%,使增输能够和国外的减阻剂媲美.国内减阻剂的成功研28%成为可能.还有,美国海湾区一条Dg200输油制,又为我国减阻剂的应用大大降低了成本.管道因冬季柴油黏度上升影响了输量,加减阻剂从1985年开始,我国已先后在铁岭-大连后使摩阻下降35%,保持了正常输量.线[79,东营-黄岛线[79), 东临线[79), 格尔木-拉.(2)应用减阻剂以适应客观条件的变化萨线[80),二连油田(1.,82, 新疆克拉玛依-独山子已建成的管道，其输量前景一般是很难预测炼油厂管线(83,南输(抚顺至营口鮁鱼圈)841,靖的，随客观条件的变化,输量随之变化，如市场情安-咸阳输油管道杨洛段[85,86, 临邑-濮阳一洛况发生变化、满足油田未预见到的发展需要、适应阳线181,东黄老线(黄岛-齐鲁)88),东辛线[89]等配额变化等.例如,位于美国海湾区的一条Dg300输油管道上进行了减阻剂在石油运输上的应用试.汽/柴油输送管道,由于市场的变化,炼油厂要求提验,取得了明显的减阻效果和巨大的经济效益,同高其输量15%,采用了减阻剂,使摩阻下降35%,经时也发现了--些亟待解决的问题.济、及时地解决了困难.又如，美国海湾区-一个近从这些应用试验研究可以发现石油输送管道海大油田已稳产了很久时间,近期又有了新发现,应用减阻技术具有如下优点:造成干线输量不适应的情况使用减阻剂后,减阻(1)采用加减阻剂输送工艺后,经济效益很39%,输量增大15%,解决了问题.可观.如:杨洛段加剂运行后，全年原油增输(3)用减祖剂保证正常、均衡地输油7.884x108 kg/年,去除减阻剂成本,年获利2032万保证设备检修和故障处理期间油田、炼厂等元的正常生产.如海上石油生产及运输设备的建设(2)现有管道系统添加减阻剂,可迅速提高管费用极高,要求设备有极高的使用率,极低的备用道输中国煤化工牛可灵活地调整率.在海上平台上的设备进行检修及事故处理前输油MHCN M H G交地创造经济、后,采用减阻剂保产在经济上是合理的.北海油田社会效m.曾采用此种方法进行过生产，该Dg400管道用减(3)加剂运行后运行压力可以大幅降低,管道阻剂减阻38%,保住了产量.运营安全性提高,这对我国的运行多年的老管线352力学进展2008年第38卷尤为重要.达31.7 %,增输率达18.7%.(4)在-定程度上还可以提高输送装置的效(7)减阻剂的添加浓度越大,增输效果越明显.率,如:杨洛段,加剂后泵的效率有所提高,由加减但是当浓度增加到一定程度时,再增加减阻剂的阻器前的64.06% (流量为480m/h),提高到加减浓度, 单位浓度减阻剂的减阻效率反而下降,故加阻剂后的65.9% (流量为570m3/b).剂浓度应按需确定,不能盲日加大剂量.(5)因为成品油用量受市场和季节的影响波(8)施加减阻剂只能使可能越站的管段提高动比较大，且我国油田产量变化幅度比较大，应流量,而绝不能使不可能越站的管段能够越站加用减阻剂技术可以在管道不改变现有设备条件下，剂越站输送时，可以使管道先进人越站输送状态,增加管道输量的弹性以适应短期油田产量大幅度然后注人减阻剂提高越站流量.的变化.特别是在卡脖子段,加减阻剂后就可以使此外,减阻技术虽有以上一系列的优点,但对整个管道输量增加，经济效益十分显著.于需要长期增输的管线,应用减阻剂的方案则可(6)利用减阻技术可对长输管道系统进行减能不是最优因为在管道输送中,影响输量的因素站、越站操作,降低输送能耗和操作成本,增加了是多方面的，其中有一大内素就是管道的摩擦阻生产管理的灵活性.此外,还可实现在不停输状态力在管流中添加减阻剂只是从改变流体的流动下对泵机组或泵站进行检修维护、更新改造,降低特性来降低摩擦阻力损失,而不是由管道本身来维修改造成本.解决间题.减阻技术作为一种短时间应急措施有此外，管道减阻还可以大幅度节省新建管线其无比的优越性.但对需长期增输的管道来说，不建设投资.新线设计中一个很重要的依据就是管仅需要大量的减阻剂，使其经济效益不明显，而且道的年输量,但对管道输量影响因素有许多是不在输送系统中增加了减阻剂注入装置,使其整个确定的.如对油田储量的估测不可能做到十分精系统的操作量、故障率大大提高,不利于日常操作确，市场条件要求管道输量的变化及油品种类的管理所以对减阻技术既要做到优先考虑,又决不.改变等等.这一些不确定冈素,在新线设计中不可能盲目应用,只有这样才能发挥减阻技术的长处.能考虑很全面、很具体,可根据相对经济的数据作随着资料的积累，现在已经可以不通过环道为设计依据,留下一部分设计余量,用减阻技术来试验,直接用计算机,由原油的性质和管道的数据平衡这部分余量.减小管径、压缩泵站建设规模可比较精确地取出减阻数据，大大节省了人力和资大大节省新线的建设投资.源.如, 美国CBLFLO程序.我国也进行了相关在石油输送管道应用减阻技术也存在如下注研究,例如建立了加减阻剂后水力坡降与原油流.意事项:量、黏度、管径的关系及减阻剂浓度与流量、黏度、管径关系的数学模型,并用遗传算法(genetic(1)加剂油流必须避免严重剪切.(2)如果只是瓶颈段减阻，就必须找出哪一段algorithm, GA) 优化技术分别求得两个模型中的同归参数,用实例检验了模型的可靠性和准确或哪几段是瓶颈段.性191].(3)对于有翻越点的管段，减阻只在油流到达翻越点前才有意义，过了翻越点就没有任何意义5.2减阻剂在水系统中的应用20世纪60年代中期以后,添加剂减阻开始步(4)在对高黏度原油应用减阻剂提高输量时，入工程实际应用阶段,在军事技术、石油运输、给最好同时先采取化学方法降低原油的黏度.这样,排水工程、防洪、消防、供热工程等领域得到不同可大幅度减少减阻剂的加入量，得到更大的经济的应用.现列举几个典型的应用领域加以说明.效益.5.2.1减阻剂在消防栓上的应用1901(5)减阻剂在低雷诺数条件下，也能发挥很好将长链型高分子聚合物注入到管内流动的水的减阻效能.如:新疆克拉玛依.独山子炼油厂中可以大幅度减低流动阻力、增加流量,在喷射管线，该管线平均雷诺数仅为4000, 管线输量在流时中国煤化工程.消防车输水15mg/l的稳定注入下，增输率达到50%.灭Hc N M H G和喷射流的组合(6)大口径长输管道加剂仍有很好的增输效过程.仕用防水十加入减阻剂降低流动阻力可大:果.如:在杨洛段,管径为φ377加入了23~26mg/l大提高消防水的射程和流量,增强了消防系统的的QUICKFL0W/S系列减阻剂后,其输送减阻率能力.第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述上海机械学院[91]对减阻剂在消防系统中应流量增加50%以上，射程增加一-倍以上.表2是他用的研究表明，在消防车上采用150mg/l的pw-D们对不同管径的麻质水带平地铺设的对比试验的高分子减阻剂后,管路的减阻百分数达60%以上,结果.表2不同管径的麻质水带平地铺设的对比试验的结果序号对比水泉出口压力输水 干线(麻质水带)φ19mm水枪进口压J(kPa)(kPa)管径/mm长度/m4支水枪3支水枪 2支水枪 1 支水枪清水88263.788.2161.7?0600减阻82166.6225.487.168.6156.8254.83040045362.6539300264.6519.4通过理论以及表2中数据的分析,对消防减阻效果越好.在长距离输水时,用一辆消防车减阻阻可得到如下的结论:输水,可发挥2~3辆车的作用.对消防车无法开进(1)减阻后水枪进口压力会增大.实验表明,水消防区的情况,该作用尤为重要.枪进口处的压力比清水时高-倍以上, 最高达3倍5.2.2减阻剂在输水系统中的应用(如序号3对比试验).水枪进口压力越大,射程越高,故可作为高层灭火供水的有效措施之- -.一个水循环系统,都具有水泵与管道.前面(2)减阻后管路输水量提高,减阻后管路的输我们已谈到了减阻剂对管道的减阻效果极为明显,水量增加了一倍以上(如序号1对比实验).输水如果对水泵同样有减阻效果,则减阻对输水系统量的提高，可以更有效地扑灭火灾.的作用就更大了.上海机械学院对2BA-6离心式(3)影响减阻效果的因素包括管径、管路长水泵的减阻试验证明[92),减阻可以提高水泵效率,度、管路流量.管径越小，减阻效果越明显;对同且减阻剂的浓度越高,水泵的效率越高.因此,对-干线而言，出水枪越多(流量愈大)其减阻效果输水系统的减阻,不仅大大提高了输水能力还对愈明显;对于大功率消防车,输水量很大,所以加节约电耗具有很大的意义.表3是水泵的相对流上减阻装置后,可以如虎添翼;输水管线越长,减量Q= 1时的数据表.表3水泵的相对流量Q= 1时的水泵效率的变化数据减阻剂皂角粉PEOPWC_减阻剂浓度/mg.1-110000水泉效率提高百分数4.7%17.2%9%15.2%在农田灌溉的水系统中也曾有减阻剂的实分子聚合物，使射流的密集度增加,从而对煤层单际应用实例,美国联碳公司报导了应用减阻剂位面 积上的冲蚀水量增加，因此可以大大提高采增加农田灌溉系统的流量，使灌溉面积增加了煤速度.215%[93].与采煤相类似的场合是油田的冲蚀钻井.在5.2.3 减阻剂在水力采煤和油田冲蚀钻井中的应用采用钻头钻井的同时，在钻头上采用超高压水对岩石进行冲蚀,可以成倍地提高打井的速度.如果水力采煤;是用高压水的喷射流冲蚀煤层根在冲蚀钻井的超高压水中加入微量的高分子减阻据高分子聚合物减阻剂在喷射流时可以增加射流剂，将中国煤化工力进一步提高的密集度和射程可知，如果在水泵的进口加入微打井的CNMHG量的高分子减阻剂，则可以提高水泵效率并减少管道的阻力损失，从而提高了喷管的进口压力，即5.2.4减阻剂在明渠中的应用提高了喷射压力;再则由于射流中含有链状的高明渠水流减阻可以增大泄量,从而达到减小354力学进展2008年第38卷排水构筑物尺寸、削减工程投资的日的.应用减市排水工程,尤其在来水流量超过管道设计能力,阻技术,除了增大水库泄放,城市泄洪以及污水排或出现超设计重现期的降雨时,运用减阻技术大放的作用外，还可作为超设计标准特殊防护的一幅度降 低管道流动阻力，加大排量,从而消减积水种措施(例如在非常情况下防御洪水灾害).内涝,可获得理想的经济和社会效益.但日前为止,对高聚物用于明渠减阻的基本规律研究表明，尚术 有在我国的应用实例的报道.高聚物减阻在明渠中具有显著的减阻效果,且减5.2.6减阻剂在集中供热与空调系统中的应用阻百分比随溶液浓度、渠道底坡及水力半径的增集中供热与空调系统任我国已经成为耗能大大而增大.马祥琯等人(941 通过高聚物溶液明渠减阻特户,其中大量能耗消耗在水泵上用来输送热水或冷冻水、冷却水.减阻技术在集中供热及空调水输性的基础性实验研究,得到以卜结论:配系统的应用可以通过降低水系统管路的摩擦阻(1)国产PAM对明渠水流有显著的减阻效果,力来极大地降低泵耗,同时可以提高水输送热量在其实验条件下最高减阻百分比达32%,最高流(冷量)的能力,有助于减少输配管网的初投资,从量增加百分比达19.5%;而具有广阔的节能前景.(2)明渠水流高聚物减阻与管流减阻相同,溶减阻剂减阻技术在暖通空调领域的应用研究液浓度越大、雷诺数越大,减阻效果越好;在国外已有报道.例如,在1986 年丹麦就开展了(3)明渠水流的减阻效果受底坡影响,在一定减阻技术在供热系统热水输送中的研究工作.迄雷诺数下，底坡越陡减阻百分比越大;今为止,丹麦已成功地研制了多种可用来输送热(4)明渠水流的减阻效果受水力半径影响,水水及冷冻水、冷却水的高分子聚合物或表面活性力半径越大减阻百分比越大,底坡越陡,减阻百分剂减阻剂， 并且用于实际系统中.日本在这方面也比增长越快.开展了大量的研究工作,在很多供热、集中空调系统中已经得以应用.但在我国，这方面的应用研究5.2.5减阻剂在排水管道上的应用国外研究添加剂减阻在排水工程中的应用，还处于起步阶段.最初见于1969年美国西部公司的研究报告.报6结语告综述了德克萨斯州达拉斯市北部在φ610mm,长1250m的排水管上进行的添加剂减阻试验,以上仅从减阻剂的特性研究、添加剂湍流减证明能有效缓解排水管道的超载.随后在附近阻机理研究、有湍流减阻发生时的对流换热机理.φ450mm的排水管上建成永久性自动投放减阻剂研究、减阻剂的应用研究等几个方面作了综合评站，以解决大暴雨时排水能力的不足此外, 新述.由于篇幅所限,在介绍各方面的研究成果时并泽西州柏根的污水排放系统和英国的Britol 东米列举很多的研究工作,而是试图说明从众多研部Knowle排水系统均成功运用了减阻剂减阻究工作中所得出的具有代表性的结论;另外,对湍技术综合国外的研究, 排水管道直径范围为流减阻领域的研究方法方面的进展情况,尤其是200~1 524 mm,所用减阻剂主要有Polyox WSR-直接数值模拟技术及现代激光测试技术在流体动301 (非离子PEO类减阻剂)、ICJ Amerial 4930力学研究中的应用方面也未单独详细评述.(PAM类减阻剂)、DOW" SAP-302等投加浓度为从以上综述可见,自Toms效应被发现至今的20~50mg/,增加流量达20%~25%.在不经常发生近半个世纪里,对添加剂湍流减阻的研究已取得超设计来水的条件下,应用添加剂减阻技术来做了一系列重要的实验、理论和数值分析方面的研为应急措施,比增设管道和扩建排水泵站,更为经究成果.尽管如此,在这一-研究领域中 仍有许多问济，题亟待解决，例如目前还没有可以解释添加剂湍我国许多老城区的排水系统已不能满足需要,中国煤化工还没有针对添加每当大雨之后就会出现积水地段,甚至内涝成灾.剂YH.CN M H G诺数下可靠的定因此,有必要结合我国市政建设,开展添加剂减阻量分析刀法、从而沉物埋时用度对减阻剂溶液湍在排水工程中应用的研究,为缓解排水设施不足,流(或处于减阻状态下的湍流流态)流动的认识还防御内涝灾害,提供新的技术.添加剂减阻用于城很不足、对减阻剂溶液流动中的微观结构的适时第3期焦利芳等:添加剂湍流减阻流动与换热研究综述355动态特性的研究还很匮乏等等.在减阻剂的实际18 Pinho F T, Whitelaw J H. Flow of non Newtonian fuids应用方面，尤其是除了原油的长距离输送以外的in a pipe. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,1990, 34: 129~144其它应用方面，国外已有了相当的发展，例如欧洲19 Walker D T, Tiederman W G. Turbulent structure in a的东部和北部,以及美国、加拿大、8本和韩国的channel flow with polymer injection at the wall. Journalof Fluid Mechanics, 1990, 218: 377~403某些城市中的区域供热/供冷系统(被认为是表面20 Harder K J, Tiederman W G. Drag reduction and turbu-活性剂减阻剂最有应用潜力的水循环系统)中已lent structure in two dimensional channel flows. Philo-sophical Transactions of the Royal Society, Series A成功应用表面活性剂减阻剂来达到节能降耗的效(Physical Sciences and Engineering), 1991, 336(1640):果[95~9),而我国在这方面则相对落后，有的尚处19~34于起步阶段.鉴于添加剂湍流减阻技术具有很大21 Wei T, Wilmarth w w. Modifying turbulent structurewith drag reducing polymer additives in turbulent channel经济、环境和社会价值,急需在已取得成果的基础fows. Jourmal of Fluid Mechanics, 1992, 245: 619~6412 Warholie M D, Schmidt G M, Hanratty T J. 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Studies (experimental study, theoretical analysis, numerical simulation and applicationtests in real systems) over around a half century since its discovery have provided much understanding on theturbulent drag reduction phenomenon and its value in applications. Nevertheless, there are still some aspectswhich need to be investigated further, for example, the turbulent drag reduction mechanism. The currentresearch status in the field of turbulent drag- reducing fow and heat transfer with polymer or surfactant additivesis reviewed in this paper. The characteristics of turbulent drag reducing flow and heat transfer are summarizedin the following aspects: properties of turbulent drag reducers, mechanisms of turbulent drag reduction withadditives, mechanisms of convective heat transfer with turbulent drag reduction, and distribution of the velocityand the heat transfer control in drag-reducing flow. Furthermore, the applications of turbulent drag reducersin the industrial systems are discussed. Some new insights on the mechanism of turbulent drag reduction byadditives, mechanism of convective heat transfer with drag reduction, are also reviewed.Keywords polymer, surfactant, turbulent drag reduction, cc中国煤化工avingYHCNMHG" The project supported Harbin Specialized Ressearch Fund for Scientific Technology in Novation (5006RFLXS013)↑E-mail: lifch@hit.edu.cn