聚合物溶液沟槽壁面流动特性及旋转圆盘减阻实验研究

作     者：黄俊 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王尊策;徐德奎

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：沟槽壁面 聚合物溶液 减阻 数值模拟 旋转实验 

摘      要：在石油、化工、食品等行业中,粘性流体的输送将会与固体壁面产生摩擦作用,流体在固体表面上的摩阻占流体输送总阻力的很大一部分,损耗了部分能源,导致整体的能源利用率降低。在此背景下,研究聚合物溶液沟槽壁面减阻,来达到节能降耗的作用。本文将采用数值模拟与实验相结合的方法,开展了聚合物溶液沟槽壁面减阻的数值模拟和旋转圆盘实验减阻研究,对节能降耗具有重要意义。通过数值模拟研究发现沟槽和聚丙烯酰胺都具有一定的减阻效果,随雷诺数增加,减阻率先增加后减小。但是在低雷诺数下,高浓度的聚丙烯酰胺出现了增阻效应。分别从速度场、壁面剪切应力、湍动能、湍流耗散率、湍流强度进行了分析,探究其减阻机理。从速度场和壁面剪切应力分析可以得出:沟槽使近壁区的低速流体增多、粘性底层增厚和速度梯度减小,使得沟槽壁面的壁面剪切应力小于光滑壁面,从而产生减阻效果。从湍流统计量来看,沟槽壁面的湍流统计量都小于光滑壁面。沟槽壁面减小了壁面附近的能量传输,降低了远离壁面区的动量脉动输运,减小了法相的能量损耗,增加了流向的能量运输。聚丙烯酰胺的加入,使得沟槽壁面的各项减阻性能得到了进一步加强。在不同雷诺数下,通过聚合物溶液旋转沟槽圆盘实验,研究不同浓度聚丙烯酰胺溶液对减阻率的影响。结果表明:其减阻效果与旋转雷诺数和浓度有关。旋转圆盘在聚丙烯酰胺溶液中,随旋转雷诺数增加,减阻率先增大后减小。1.25g/L的聚丙烯酰胺溶液在雷诺数为2×10时,其减阻率最大为17%;2.3g/L的聚丙烯酰胺溶液在雷诺数为2.5×10时,其减阻率最大为24.2%;3.8g/L的聚丙烯酰胺溶液在雷诺数为3×10时,其减阻率最大为28.4%,聚丙烯酰胺溶液在5×10-3.5×10范围都有减阻效果。从数值模拟和实验可以得出,聚合物溶液沟槽壁面减阻的减阻率趋势一致,都是先增高后降低,旋转沟槽圆盘也具有良好的减阻效果。