朱 波, 趙文斌, 李明義, 袁益超, 于文匯, 李昌烽

(江蘇大學 能源與動力工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

黃原膠又稱黃膠、漢生膠，呈白色或米黃色，是一種天然多糖和重要的生物高聚物，由甘藍黑腐病野油菜黃單胞菌以碳水化合物為主要原料，經好氧發(fā)酵生物工程技術產生。從化學結構來看，黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酸組成的“五糖重復單元”聚合而成的生物高分子聚合物，其相對分子量在2×106～5×107之間[1]。由于其相對分子量較大，分子鏈具有長直鏈，且主鏈上帶有少量較大的側鏈，這些結構特性使其成為一種很好的減阻劑[2]。此外，與大多數柔性合成聚合物相比，黃原膠在去離子水以及鹽溶液中表現為更加剪切穩(wěn)定的減阻劑[3-4]。

高分子減阻技術于1948年第一屆國際流變學會議上由Toms首次報告，表明在氯苯中添加少量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，可大幅度降低流動阻力，該現象被稱為“Toms效應”[5]。隨后，該現象吸引了眾多學者對高分子減阻技術進行廣泛研究。在早期對黃原膠鹽溶液減阻特性的實驗研究中，Sohn等[6]利用轉盤裝置在去離子水以及鹽溶液(NaCl溶液)中研究不同分子量的黃原膠的減阻特性以及抗剪切特性，發(fā)現其減阻特性在鹽溶液中比在去離子水中更穩(wěn)定。Wyatt等[7]采用預混式和擬均勻混合兩種方法，在不同管徑的管道(6.35mm管徑的不銹鋼管，管徑12.7和25.4mm的銅管)中研究添加NaCl和不添加NaCl的黃原膠溶液的減阻特性，并從零剪切粘度對黃原膠溶液原液濃度依賴性方面確定了3個臨界濃度，該實驗側重于原液濃度變化，且稀釋后溶液的濃度為一定值。Hong等[4]采用轉盤裝置研究KCl的添加對黃原膠溶液減阻特性的影響，并驗證了適用于減阻降解擬合分析的模型。Carmona等[8]研究了在大幅度震蕩剪切下，NaCl含量對黃原膠溶液抗剪切特性的影響，確定了黃原膠溶液的非線性動態(tài)粘彈性與NaCl含量的函數關系。馬宗豪和卞永寧[9]實驗發(fā)現加入一定濃度NaCl能有效緩解非牛頓流體剪切粘度隨時間的依存性問題。Gasljevic等[10]綜合對比分析了聚氧化乙烯和黃原膠的減阻特性、流變特性、抗降解行為以及鹽含量和高聚物濃度對減阻類型的影響?？偟膩砜?，對黃原膠鹽溶液減阻特性及抗剪切特性，前人主要使用轉盤裝置開展相關實驗研究，雖然也有在不同管徑中進行，但是濃度單一。本文采用直徑為20mm的水平光滑圓管，對不同質量分數的黃原膠鹽溶液進行減阻特性及抗剪切特性實驗，主要研究黃原膠鹽溶液的濃度(質量分數)效應、溫度效應及其抗剪切特性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

實驗裝置在課題組設計的裝置[11]上改造升級而成(如圖1所示)。實驗管道為有機玻璃管，管道AE段直徑20mm。根據White[12]提出的經驗公式，在壓力測量點B之前，AB段的長度應滿足不小于138倍管徑的條件，本文設置為2.8m，完全達到克服湍流流動端口效應的要求。管道測試段BC的長度為2m。

實驗采用差壓變送器測量測試段BC兩端的壓降水頭，其測量精度可達0.25%；采用體積法與電磁流量計兩種方式測量流量，相對誤差小于0.1%；以變頻器調節(jié)離心泵的轉速，并配合布置在各管道上的閥門控制管道流速；在儲液箱和測量槽位置采用溫度計測量溶液溫度，實驗過程中溶液溫度波動范圍可控制在±1℃范圍內。

1.2 溶液配制

課題組前期已對質量分數在(50～550)×10-6范圍內的黃原膠水溶液的減阻特性進行了實驗研究[13-14]，表明黃原膠水溶液質量分數在500×10-6時就已經達到飽和減阻，其后減阻率不再隨濃度增加而增加。而本文旨在研究向黃原膠水溶液添加等量NaCl后的減阻及抗剪切特性，并與黃原膠水溶液的相關特性作對比，故僅選擇質量分數為300×10-6、400×10-6、500×10-6的黃原膠鹽溶液進行研究。但由于影響高聚物流變性的因素較多，可能會因某一條件的微小變化而導致減阻曲線發(fā)生改變，所以也再次進行了3種質量分數下黃原膠水溶液的相關特性實驗。

黃原膠鹽溶液按照加入NaCl的質量等于相應條件下黃原膠水溶液中所含黃原膠的質量來進行配制。溶液配制過程如下：首先配制質量分數為1×10-2的黃原膠母液，靜置24h，確保黃原膠或者添加NaCl的黃原膠充分溶解于水；然后將母液加入儲液箱，用自來水稀釋為一定質量分數的溶液，再靜置8h，確保實驗時母液與水混合均勻。

1.3 實驗方法

1.4 實驗評價基準

在圓管流動中，圓管的沿程阻力系數[13]為:

(1)

式中:Δh為實驗管段(BC測試段)的水頭差，m；l為實驗管段管長，m；Q為體積流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2。

同一雷諾數下，減阻率DR的表達式為:

(2)

式中:λ為實驗黃原膠溶液圓管流動的沿程阻力系數，λw為相對應的清水圓管流動的沿程阻力系數。

2 實驗結果與討論

2.1 濃度(質量分數)效應

為研究添加NaCl的黃原膠鹽溶液減阻特性的濃度(質量分數)效應，在20℃條件下進行黃原膠鹽溶液減阻特性實驗，實驗結果如圖2(a)所示。為對比分析，圖2(b)給出了相應質量分數黃原膠水溶液的減阻特性。

圖2 不同質量分數黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液減阻率隨Re的變化曲線

Fig.2Dragreductionratevs.RenumberforXG/NaClsolutionandXGaqueoussolutionatdifferentmassfractions

在圖2(a)中，顯示了質量分數分別為300×10-6、400×10-6和500×10-6的黃原膠鹽溶液的減阻特性，可以發(fā)現：僅在流動雷諾數低于4.5×104時，質量分數為500×10-6的黃原膠鹽溶液的減阻率略高于質量分數為400×10-6的黃原膠鹽溶液；在飽和穩(wěn)定后，兩者減阻率隨Re的變化曲線幾乎重合，約為定值48.5%。兩者與質量分數為300×10-6的黃原膠鹽溶液相比，飽和減阻率相差較大(300×10-6黃原膠鹽溶液的減阻率在飽和穩(wěn)定后約為定值39.5%)。而從圖2(b)可以看出：在不同質量分數下，黃原膠水溶液的減阻率隨Re的變化并不呈現上述特性，而是在飽和穩(wěn)定后達到不同的減阻率。

為了更清楚明晰地進行分析，對3種質量分數的黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液的減阻特性逐一進行對比，如圖3所示。一方面，可以明顯發(fā)現：在飽和穩(wěn)定后，3種不同質量分數的黃原膠鹽溶液的減阻率均比黃原膠水溶液的減阻率大，但其隨Re的變化卻有所不同。對于質量分數為300×10-6的黃原膠鹽溶液(圖3(a))，當Re低于4.1×104時，其減阻率低于黃原膠水溶液的減阻率；當Re超過4.1×104時，才高于黃原膠水溶液的減阻率。而對于質量分數為400×10-6、500×10-6的黃原膠鹽溶液(圖3(b)、(c))，當Re低于2.2×104時，其減阻率均低于黃原膠水溶液的減阻率；當Re數超過2.2×104時，則高于黃原膠水溶液的減阻率。另一方面，對比減阻率數值也可發(fā)現：質量分數為300×10-6、500×10-6的黃原膠鹽溶液，與相應質量分數黃原膠水溶液的飽和減阻率差異較小，均約為2%。但質量分數為400×10-6的黃原膠鹽溶液，其飽和減阻率與黃原膠水溶液相比增加卻較多，約為9%。通過對圖2、3的綜合分析，可以認為向質量分數為400×10-6的黃原膠水溶液中添加等量的NaCl是實驗條件下的最佳配比。

圖2、3中黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液在減阻穩(wěn)定后的減阻率大小差異，可以歸因于NaCl的添加導致黃原膠分子構象發(fā)生變化。當溶液中沒有添加NaCl時，黃原膠分子鏈以無序或部分按隨機斷裂的螺旋形式排列，且由于側鏈上帶電基團的靜電排斥而被高度拉伸。當將NaCl加入到溶液中時，足夠多的鈉離子能夠消除分子鏈上負電荷產生的斥力。這些鈉離子與側鏈相結合，使黃原膠分子鏈變得平滑、具有彈性，分子間斥力減少，因此黃原膠在NaCl溶液中的粘度低于水溶液中的粘度。粘度降低的同時，黃原膠分子鏈會發(fā)生無序到有序的轉變，其中主鏈呈螺旋構象，帶電的三糖側鏈將重構回到主鏈上，從而穩(wěn)定有序構象[15]。伴隨以上兩種變化，黃原膠鹽溶液的流變性也將發(fā)生變化。這些變化的綜合作用，將增大流體的湍流強度，并導致減阻率增大(即減阻率隨雷諾數增大而增大[16]，但非無限制增大)。因此，減阻穩(wěn)定后，相比黃原膠水溶液，黃原膠鹽溶液的減阻率較大。

圖3 3種質量分數黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液減阻率隨Re變化的曲線對比

Fig.3Dragreductionratevs.RenumberforXG/NaClsolutionandXGaqueoussolutionforthreedifferentmassfractions

質量分數為400×10-6和500×10-6的黃原膠鹽溶液在減阻飽和穩(wěn)定后的減阻率曲線基本一致(圖2(a))。初步研究表明：雖然黃原膠鹽溶液中的黃原膠分子的彈性模量隨著黃原膠質量分數的增加而增加，但其存在飽和現象，即在20℃條件下，超過一定質量分數后，鹽的增加對黃原膠鹽溶液的粘度并無改變，反而可能因為NaCl含量過多，增加了黃原膠分子的剛性，使其彈性模量降低，導致減阻率增幅較小。而質量分數為300×10-6的黃原膠鹽溶液中的NaCl含量又不足，故質量分數為400×10-6的黃原膠鹽溶液中NaCl的含量最佳。

此外，對同一質量分數下黃原膠鹽溶液與黃原膠水溶液的減阻率隨Re變化的減阻率曲線(圖3)，二者存在一個交叉轉變點，即：開始時黃原膠鹽溶液的減阻率低于黃原膠水溶液，隨后迅速增加并超過黃原膠水溶液。由于加鹽黃原膠溶液的剪切變稀行為比較復雜，除了與溶液離子強度、分子螺旋和無序構象的不同狀態(tài)有關，也可能與黃原膠在具有各向異性或各向同性的溶液中復合的構象變化相關。因此該現象的產生可能是由于黃原膠分子與流動之間的相互作用程度不同，這導致黃原膠鹽溶液的減阻優(yōu)勢僅體現在較高雷諾數時，而在較低雷諾數下并無優(yōu)勢。

2.2 溫度效應

從圖4可以看出：(1) 在不同溫度下，3種不同質量分數的黃原膠鹽溶液的沿程阻力系數均隨雷諾數的增大而趨于穩(wěn)定，且質量分數越高，達到穩(wěn)定狀態(tài)的雷諾數越大；(2) 3種不同質量分數的黃原膠鹽溶液的沿程阻力系數均在較低雷諾數時受溫度影響比較明顯，且此時溫度越高，沿程阻力系數越接近Virk曲線(即減阻效果越好)，而減阻穩(wěn)定后，則無太大差異。因此，可以推斷黃原膠鹽溶液中的黃原膠分子構象在較低雷諾數下對溫度較為敏感，而隨著雷諾數的增大，則表現出較強的耐溫性。

2.3 抗剪切特性

為研究黃原膠鹽溶液在連續(xù)循環(huán)剪切作用下的抗剪切特性以及機械降解的可逆性，在雷諾數約為7×104、水溫27℃的情況下，在20mm管徑中對質量分數分別為300×10-6、400×10-6和500×10-6的黃原膠鹽溶液進行連續(xù)循環(huán)剪切。每組實驗進行3d，每天8h，然后靜置16h。實驗過程中，每隔1h記錄一次數據，結果如圖5所示。圖中也給出了黃原膠水溶液的抗剪切特性曲線以作對比。

圖4 不同溫度下的黃原膠鹽溶液的沿程阻力系數隨Re的變化曲線

Fig.4Thefrictionfactorvs.RenumberforXG/NaClsolutionatdifferenttemperatures

從圖5可以看出：(1) 無論NaCl添加與否，不同質量分數的黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液的減阻率均產生相應降低，且減阻率均在第一天降幅明顯，隨后兩天下降趨勢變緩。而經過為期3d、每天8h的連續(xù)循環(huán)剪切后，無論加不加鹽，質量分數300×10-6和500×10-6的黃原膠溶液減阻率降幅均在17%左右，僅質量分數400×10-6的黃原膠溶液減阻率降幅(無鹽，13%；加鹽，21%)與前兩種溶液有所不同，但變化也不大，表明與黃原膠水溶液相比，添加NaCl的黃原膠鹽溶液并沒有表現出抗降解優(yōu)勢。但基于黃原膠鹽溶液的減阻優(yōu)勢，剪切停止后其減阻率仍然高于黃原膠水溶液。(2) 在每次長時間靜置之后，減阻率都有微小回升，但是在連續(xù)剪切作用下，回升又迅速轉為下降，表明黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液的機械降解均是不完全可逆的；同時，也表明鹽的加入不能改變高聚物的結構，也不能改變高聚物水溶液在管內的湍流流動本質。(3) 質量分數為400×10-6的黃原膠鹽溶液雖然開始時與質量分數為500×10-6黃原膠鹽溶液的減阻效果并無差異，但經過連續(xù)剪切之后，其減阻率降低得非?？?，最后甚至低于質量分數為400×10-6的黃原膠水溶液，尤其是在第一天降幅達到15%，隨后才變得平緩。對于這一現象，本文尚不能給出明確解釋，可能是因為當質量分數為400×10-6時，鹽含量與黃原膠質量是最佳減阻配比，但二者之間的相互作用受剪切影響較大，會發(fā)生黃原膠分子重構甚至解構，導致其減阻效果迅速降低。

圖5 不同質量分數黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液在機械剪切后的減阻率(Re=7×104)

Fig.5DragreductionrateofXG/NaClsolutionandXGaqueoussolutionaftermechanicalshearingatdifferentmassfractions(Re=7×104)

綜上所述，對于黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液而言，連續(xù)剪切導致的分子鏈斷裂均是不完全可逆的。經過一系列高強度連續(xù)剪切后，其鹽溶液減阻率降幅最大為21%，說明添加NaCl的黃原膠鹽溶液與黃原膠水溶液一樣具有較好的抗降解性能。

3 結 論

采用實驗方法研究了不同質量分數的黃原膠鹽溶液在光滑管道流動中的減阻特性，并與黃原膠水溶液進行了對比分析，主要結論如下：

(1) 黃原膠鹽溶液的減阻性能與鹽含量有關，且存在鹽含量與黃原膠質量的最佳配比，并非鹽含量越高減阻性能越好。在本文實驗范圍內，其最佳配比存在于質量分數為400×10-6的黃原膠鹽溶液中。

(2) 在較低雷諾數下，添加NaCl的黃原膠鹽溶液的減阻效果不及黃原膠水溶液；而隨著雷諾數增加，黃原膠鹽溶液的減阻率迅速增加，在減阻穩(wěn)定后，表現出的減阻效果明顯優(yōu)于黃原膠水溶液。

(3) 黃原膠鹽溶液在不同溫度下的沿程阻力系數均隨雷諾數的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定后表現出較好的耐溫性。

(4) 黃原膠鹽溶液具有較好的抗剪切性能，但其機械降解仍是不完全可逆的，并沒有因為NaCl的添加而有所改觀。

以上是本文的主要結論，對黃原膠鹽溶液的減阻特性和減阻機理，還需開展進一步的實驗和探討。