時朋飛 * 杜 偉 胡海豹 * 馮家興 * 謝 絡(luò) *,

* (西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安 710072)

? (武漢第二船舶設(shè)計研究所,武漢 430064)

引言

自1948 年Toms[1]發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)高分子溶液湍流減阻現(xiàn)象以來,高分子聚合物添加劑一直是流體力學(xué)、流變學(xué)等學(xué)科的一個關(guān)注熱點.關(guān)于高分子量長鏈聚合物及纖維減阻問題的研究,已取得相當(dāng)大的進(jìn)展[2-11].后來,文獻(xiàn)[12]提出通過向湍流流場中噴入高聚物溶液的減阻新方式,并發(fā)現(xiàn)只有沿內(nèi)壁噴射溶液才具有減阻效果.文獻(xiàn)[13]則指出,高分子溶液減阻率達(dá)到最大之后會因為降解而下降,且衰減函數(shù)與雷諾數(shù)、溶液濃度、分子量以及溫度有關(guān).Perlin 等[14]還發(fā)現(xiàn)高聚物噴射的減阻效果會受管道流速、高分子種類、噴射溶液濃度以及噴射速率的影響.任劉珍等[15]在低速重力水槽實驗中發(fā)現(xiàn),減阻率隨主流速度以及噴射速率的增加而增加,且噴射溶液在壁面附近呈層狀分布.

不過,高聚物減阻機理至今尚存在爭議[16-17].文獻(xiàn)[18]認(rèn)為高聚物溶液在湍流狀態(tài)下的黏性應(yīng)力與彈性應(yīng)力存在一定關(guān)系,黏彈性與拉伸黏度相互結(jié)合,共同起減阻作用.Virk[19]認(rèn)為高分子由于拉伸而導(dǎo)致的應(yīng)力各向異性,是減阻的主要原因.不過,目前主流觀點認(rèn)為高分子聚合物一方面能有效抑制湍流,減弱近壁區(qū)漩渦活動態(tài)勢;另一方面,可以加強軸向湍流強度并削弱法向湍流強度[20-21].

在減阻劑方面,PEO,PAM 等常規(guī)合成長鏈高聚物雖擁有顯著減阻功效,但易發(fā)生剪切分解或斷裂,使得減阻率降低,甚至增阻[22].為此,學(xué)者們探索了各類新型減阻劑.比如,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)魚類分泌的水溶性高分子黏液能顯著減小湍流阻力[23-24],但大規(guī)模獲取非常困難;黃原膠[25]、秋葵[26-28]、蘆薈[29-30]等植物多糖具有一定減阻效果且易獲取,但易生物降解.之后,學(xué)者們利用Spingomonas sp.ATCC 53159菌種需氧發(fā)酵生產(chǎn)出一種新的微生物多糖——定優(yōu)膠(diutan gum,又名S-657)[31].該多糖的分子主鏈?zhǔn)怯?-D-吡喃葡萄糖、4-D-葡萄糖醛酸、3-D-吡喃葡萄糖與4-L-鼠李糖連接而成的四糖骨架重復(fù)單元,呈現(xiàn)出棒狀雙螺旋二級結(jié)構(gòu)[32-33].定優(yōu)膠這種特殊的分子結(jié)構(gòu)與構(gòu)象也引起了其他領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注.Santos 等[22]通過定優(yōu)膠均勻溶液管道實驗發(fā)現(xiàn),該多糖是一種極其穩(wěn)定的天然減阻劑.不過,至今仍缺乏定優(yōu)膠溶液噴射減阻的相關(guān)研究.Xu 等[34]通過對定優(yōu)膠進(jìn)行流變測試發(fā)現(xiàn),定優(yōu)膠屬剪切變稀流體,然而其測試的剪切率范圍較窄(10-2～103s-1),并沒有測試低于10-2s-1的區(qū)域.Mota 和Pereira[35]探究了溫度對高濃度定優(yōu)膠溶液(高于4‰)動態(tài)模量的影響,發(fā)現(xiàn)定優(yōu)膠具有良好的熱穩(wěn)定性,但未給出低濃度下定優(yōu)膠溶液動態(tài)模量特性.

綜上,亟需對定優(yōu)膠開展更完整的流變特性測試,結(jié)合定優(yōu)膠溶液的擴散特性,對定優(yōu)膠的溶液的阻力特性進(jìn)行進(jìn)一步研究,從而彌補當(dāng)前工作的不足.為此,這里在開展定優(yōu)膠大剪切率范圍流變特性測試的基礎(chǔ)上,完成了管道噴射減阻規(guī)律及基于激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)的流場擴散特性測試,并從其噴射擴散角度分析了其減阻規(guī)律的變化原因.

1 實驗裝置與方法

實驗裝置包括重力驅(qū)動式管道循環(huán)系統(tǒng)、流變儀及粒子成像測速(PIV)裝置.其中,流變儀型號為HAAKE RheoStress 6000.流變行為測試中,各取配置的1 mL 溶液置于流變儀夾具間,在設(shè)定的溫度、頻率以及應(yīng)變下進(jìn)行測試.

重力驅(qū)動式管道循環(huán)系統(tǒng)(如圖1)主要由上水箱、下水箱、離心泵、管道、液體流量計、壓差變送器等部分組成.本裝置最高流速為2.8 m/s.為便于進(jìn)行減阻測試與拍攝流場,實驗所采用的測試管道分為兩種,內(nèi)徑為32 mm 的圓管用以進(jìn)行阻力特性測試;截面長60 mm,高20 mm 的矩形管道用來拍攝管道內(nèi)溶液的擴散特性.管道材質(zhì)為無色亞克力(PMMA),在圓管試驗段兩端設(shè)有兩個測壓小孔,內(nèi)徑為2 mm,距離為1400 mm,第一個測壓小孔距噴射口370 mm.定優(yōu)膠由可調(diào)壓力氣源驅(qū)動進(jìn)入噴射裝置.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

試驗過程中采用差壓變送器(Setra,USA,可測量的壓差范圍為0～ 2 psi (1 psi=6.895 kPa),非線性誤差 ± 0.2%)測量兩個測壓孔之間的壓降.試驗測得噴射純水與不噴射的壓降差別在2%以內(nèi),因此后期試驗不考慮噴射對流動的影響.對比噴射定優(yōu)膠溶液與純水流動壓降得到減阻率,對應(yīng)公式為

其中,DR表示減阻率; ΔPw表示測得純水壓降;ΔPP表示同流速下噴射定優(yōu)膠溶液壓降.實驗中,為減小偶然誤差,每個數(shù)據(jù)重復(fù)采集30 次,每個工況測試4 次.

PIV 裝置(TSI,USA)光學(xué)示意圖如圖2 所示,此裝置采用雙脈沖激光(激光波長532 mm,輸出功率9 W),PIV 可獲得速度場等信息,而PLIF 可得到流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及溶液擴散特性.PLIF 測試時,在噴射液中加入羅丹明B 作為染色劑,在相應(yīng)相機上加上允許通過波長范圍為560～600 nm 的紅色濾光片.

圖2 流場測試光學(xué)示意圖Fig.2 Optical diagram of flow field test

2 結(jié)果與分析

2.1 定優(yōu)膠溶液流變特性

為揭示定優(yōu)膠溶液在大剪切率變化范圍內(nèi)的流變特性,圖3 給出了室溫20 °C 下定優(yōu)膠溶液的穩(wěn)態(tài)掃描結(jié)果(剪切率范圍覆蓋10-3～103s-1).從中可以看出,與文獻(xiàn)[22,34]的實驗結(jié)果類似,定優(yōu)膠的黏度隨濃度增加而增加,屬假塑性流體;但與文獻(xiàn)[22,34] 不同,這里發(fā)現(xiàn)在剪切速率低于10-2s-1時存在與第一牛頓區(qū)、剪切變稀區(qū)及第二牛頓區(qū)并存的第四個區(qū)域——剪切增稠區(qū),此區(qū)域內(nèi)黏性隨剪切速率的增加而變大.

圖3 20 °C 下不同濃度定優(yōu)膠的黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.3 The dependence of the apparent viscosity for diutan gum solutions on the shear rate at different concentrations with T=20 °C

圖4 為定優(yōu)膠溶液的動態(tài)模量測試結(jié)果,其儲能模量G′與損耗模量G″都隨角頻率的增加而增加.可以看出,角頻率較小時,三個濃度的G′均小于G″,此時黏性占主導(dǎo);三個濃度下,都存在一個黏彈轉(zhuǎn)變點,當(dāng)超過此點時,G′大于G″,此時彈性占主導(dǎo).此外,隨著濃度的增加,定優(yōu)膠溶液的黏彈轉(zhuǎn)變點(圖中藍(lán)色虛線標(biāo)注)左移,表現(xiàn)出纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)的特征流變響應(yīng),此結(jié)果與文獻(xiàn)[34]的結(jié)果相符.當(dāng)定優(yōu)膠濃度大時,分子鏈更易發(fā)生纏結(jié)而儲存能量,因此在小角頻率下便表現(xiàn)出彈性.而濃度越小,分子鏈越難發(fā)生纏結(jié),導(dǎo)致長鏈結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)難以形成以及成長,因此表現(xiàn)彈性對應(yīng)的頻率也更大.此特性是否與高聚物的濃度效應(yīng)有關(guān)有待深入研究.

圖4 20 °C 下不同濃度定優(yōu)膠的G′與G″隨角頻率的變化曲線Fig.4 The dependence of the G′ and G″ for aqueous diutan gum on the oscillation frequency at different concentrations with T=20 °C

為進(jìn)一步探究溫度對定優(yōu)膠流變特性的影響,圖5 顯示了溫度對定優(yōu)膠溶液動態(tài)模量的影響.結(jié)果表明,溫度的改變并不影響定優(yōu)膠的黏彈轉(zhuǎn)變點.對圖5 進(jìn)行縱向?qū)Ρ炔浑y發(fā)現(xiàn)黏彈轉(zhuǎn)變點隨濃度的增加而前移,這正與圖4 結(jié)果相符.即定優(yōu)膠在較低濃度下(低于1‰)亦具有良好的熱穩(wěn)定性,這與文獻(xiàn)[35]的定優(yōu)膠在較高濃度具有良好熱穩(wěn)定性的結(jié)論相呼應(yīng).由于實驗所進(jìn)行的范圍溫度掃描并不改變定優(yōu)膠的流變特性,后續(xù)實驗在室溫20 °C 下進(jìn)行.

圖5 不同溫度定優(yōu)膠G′與G″隨角頻率的變化曲線Fig.5 The dependence of the G′ and G″ for aqueous diutan gum on the oscillation frequency at different temperature

2.2 定優(yōu)膠減阻特性

圖6 為主流速度1 m/s (Re=32 000),不同濃度的定優(yōu)膠溶液減阻率隨噴射速率Qi的變化規(guī)律.結(jié)果表明,定優(yōu)膠溶液的減阻效果在所測范圍內(nèi)都隨噴射速率的增加而增加,噴射速率為5Qs(Qs為黏性底層每單位展向長度上的體積流率,=67.3υ,υ在20 °C 為 1.006 7 × 10-6m3/(m·s)[36])時,減阻率達(dá)到最大,最大可達(dá)21.9%.原因是隨噴射速率的增加,進(jìn)入主流的定優(yōu)膠溶液相對濃度增加,與湍流結(jié)構(gòu)的相互作用增強,從而使得減阻效果提升.此外,濃度低于0.75‰時減阻率隨濃度的升高而升高;0.75‰與1‰定優(yōu)膠溶液減阻率呈交錯上升趨勢,考慮到實驗過程中的誤差,其差異并不明顯,猜想是因為1‰的定優(yōu)膠溶液濃度過大,黏性阻力增加,減阻效果幾乎達(dá)到極限,便呈現(xiàn)此趨勢.

圖6 20 °C 下噴射速率對減阻效果的影響Fig.6 Drag reduction effect with different injection rates at 20 °C

圖7 給出了定優(yōu)膠減阻率隨Re的變化規(guī)律.對比發(fā)現(xiàn),除0.3‰定優(yōu)膠溶液的減阻率隨雷諾數(shù)增加而減小外,其他都隨雷諾數(shù)先增加后減小,最大減阻率出現(xiàn)在0.75‰,Re=24 000,達(dá)26.5%.0.75‰與1‰定優(yōu)膠溶液的減阻效果較之0.5‰與0.3‰的更為顯著,是因為較大濃度與湍流相互作用的能力更強.而1‰的定優(yōu)膠溶液濃度過大,對湍流的作用已接近極限,并且其黏性阻力相對更大,因此1‰定優(yōu)膠的減阻效果較之0.75‰并無明顯提高甚至還有少許下降.此外,四個濃度的減阻率最大值點隨濃度的增加整體右移,其中0.5‰與0.75‰的減阻率極值在Re=16 000 與Re=32 000 之間.由此可見,黏彈轉(zhuǎn)變點隨濃度的增加而前移,可能使得減阻能力升高,從而造成定優(yōu)膠減阻極值點的右移,但二者之間的具體聯(lián)系還需要深入研究.

圖7 20 °C 下雷諾數(shù)對減阻效果的影響Fig.7 Drag reduction effect with different Reynolds number at 20 °C

2.3 定優(yōu)膠溶液噴射流場測試結(jié)果分析

對減阻偏差相對較小的5‰的定優(yōu)膠溶液進(jìn)行了PLIF 拍攝.圖8(a)為Qi=5Qs,主流速度U為1 m/s (Re=32 000),1.25 m/s (Re=40 000)及1.5 m/s(Re=48 000)時的灰度圖片.白色部分代表噴入流場中的染色液體,白色虛線表示壁面位置.可以看出隨主流速度的增加,灰度圖片變暗,定優(yōu)膠的法向擴散程度減小.U=0.5 m/s 時,灰度圖片存在亮度較大的區(qū)域(紅色虛線圈內(nèi)),原因是在較低流速下,剪切速率低,定優(yōu)膠溶液黏度高,無法充分?jǐn)U散,呈團(tuán)狀,對湍流狀態(tài)的抑制沒有達(dá)到最佳;U=0.75 m/s 時,定優(yōu)膠溶液的擴散效果增強,甚至達(dá)到最佳狀態(tài),減阻效果也達(dá)到最大;流速繼續(xù)增加時,剪切速率增加,使得定優(yōu)膠的黏度減小,加之大流速水的卷攜,定優(yōu)膠溶液便被順勢帶走一部分,此時白色區(qū)域的亮度明顯低于U=0.75 m/s,最終減阻效果下降.

圖8(b) 為U=1 m/s,噴射速率近似為1Qs,3Qs和5Qs時的流場灰度圖片.縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn),噴射定優(yōu)膠溶液的熒光區(qū)域面積均小于噴水,說明定優(yōu)膠溶液在流場中的擴散速率小于水.隨著噴射速率的增加,圖片亮度增加,噴射定優(yōu)膠溶液的熒光區(qū)域面積相對于水更小,即定優(yōu)膠明顯更貼近于壁面,使得定優(yōu)膠溶液更易抑制近壁區(qū)相干結(jié)構(gòu)的猝發(fā)現(xiàn)象[37].

圖8 定優(yōu)膠溶液流場擴散特性Fig.8 DG solution diffusion characteristics

根據(jù)PLIF 拍攝結(jié)果,定優(yōu)膠溶液減阻效果隨雷諾數(shù)先增后降的直觀原因是,溶液受到一個從不均勻團(tuán)狀結(jié)構(gòu)到均勻擴散,再到部分溶液脫離壁面的過程.實際上,隨著雷諾數(shù)的增加,湍流強度增加,高分子長鏈充分伸展,高聚物溶液與湍流的相互作用增強,因此一定范圍內(nèi)減阻效果隨雷諾數(shù)的增加而增加.當(dāng)雷諾數(shù)進(jìn)一步增加,湍流剪切作用增強,高聚物與湍流的相互作用達(dá)到極限,且部分長鏈因高速剪切而斷裂;根據(jù)流變結(jié)果,剪切速率增加使得定優(yōu)膠溶液的黏度下降,因此部分高聚物無法附著在壁面發(fā)揮作用,也造成減阻效果降低.

3 結(jié)論

論文通過開展新型微生物多糖減阻劑定優(yōu)膠流變和管內(nèi)狹縫噴射減阻實驗，得到以下結(jié)論.

(1)定優(yōu)膠黏度隨濃度增加而增加,具有剪切變稀行為,且存在剪切增稠區(qū)、第一牛頓區(qū)、剪切變稀區(qū)及第二牛頓區(qū)等四種流變特性區(qū);同時,定優(yōu)膠的黏彈轉(zhuǎn)變點隨濃度增加而前移,但基本不受溫度影響.

(2)定優(yōu)膠溶液減阻效果隨噴射速率單調(diào)增加,隨雷諾數(shù)先增后減,最大減阻率可達(dá)26.5%;同時減阻率最大時對應(yīng)的雷諾數(shù),隨著濃度增加而增加.

(3)定優(yōu)膠溶液擴散速度比水小,噴射入流場后主要集中在近壁區(qū);隨雷諾數(shù)增加,定優(yōu)膠溶液會經(jīng)歷聚集成團(tuán)、舒展擴散及脫離壁面三個階段;定優(yōu)膠擴散脫落壁面和剪切破壞可能是在大雷諾數(shù)下減阻效果降低的原因.