魏進(jìn)家，黃崇海，徐娜

（西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

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表面活性劑湍流減阻研究進(jìn)展

魏進(jìn)家，黃崇海，徐娜

（西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

摘要：表面活性劑較高分子聚合物在流體管道輸運(yùn)中具有可逆機(jī)械降解特性的優(yōu)點(diǎn)，更適用于存在高剪切的場(chǎng)合以及封閉的循環(huán)回路進(jìn)行減阻，但存在對(duì)其復(fù)雜流變特性及減阻機(jī)理認(rèn)識(shí)不完善的問(wèn)題，使得其在減阻領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。本文回顧了作者近年來(lái)在表面活性劑溶液微觀結(jié)構(gòu)、復(fù)雜流變學(xué)特性、湍流結(jié)構(gòu)以及其與減阻和傳熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系方面的研究進(jìn)展；介紹了表面活性劑減阻和壁面微溝槽協(xié)同作用減阻的研究成果；指出通過(guò)拉伸流的方式能夠在壓損較小的情況下更有效地提高表面活性劑溶液的傳熱性能。針對(duì)表面活性劑現(xiàn)有研究的不足，本文提出4條建議作為表面活性劑的未來(lái)研究方向，分別為開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型高效表面活性減阻劑、強(qiáng)化換熱裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化布置、表面活性劑與其他減阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性劑在尺度放大、防腐和減阻持久性方面的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；湍流；流變學(xué)；傳熱

第一作者及聯(lián)系人：魏進(jìn)家（1971—），男，博士，教授。主要從事非牛頓流體減阻及強(qiáng)化傳熱方面的研究。E-mail jjwei@mail.xjtu.edu.cn。

在長(zhǎng)距離管道流體輸運(yùn)中，絕大部分的流體輸送能耗來(lái)源于管道壁面的摩擦阻力。對(duì)于能源緊缺的今天，尤其是像我國(guó)這樣處于發(fā)展中且人均資源占有量較低的國(guó)家來(lái)說(shuō)，節(jié)約能源以及能源的高效利用已經(jīng)成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)和亟待解決的問(wèn)題。減阻添加劑的使用能極大地減少流體在壁面的摩擦阻力，減阻效果高達(dá)80%，具有重要的節(jié)能價(jià)值。相比于聚合物減阻劑，表面活性劑具有可逆的機(jī)械降解性質(zhì)，在高剪切力場(chǎng)合以及封閉式循環(huán)系統(tǒng)如集中供暖系統(tǒng)中有著極大的優(yōu)勢(shì)以及更為廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。

由于表面活性劑溶液在不同的剪切力作用下，其內(nèi)部的單體分子會(huì)形成不同形狀的微觀膠束結(jié)構(gòu)，比如球狀、棒狀、蠕蟲(chóng)狀、網(wǎng)狀等，而這些不同的微觀結(jié)構(gòu)又能夠影響表面活性劑溶液的流變性能，使其在不同剪切力下表現(xiàn)不同的流變特性；而流變特性又會(huì)影響流體內(nèi)部的湍流結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步影響表面活性劑溶液的減阻性能。因此，為了認(rèn)識(shí)表面活性劑溶液的內(nèi)在減阻機(jī)理，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、流變特性及流體內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)的研究成為了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

然而，表面活性劑在高效減阻的同時(shí)，其換熱性能將會(huì)極大地惡化，這主要是由其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)流體湍流強(qiáng)度的抑制作用造成的，從而導(dǎo)致了表面活性劑溶液傳熱性能惡化的現(xiàn)象。因此，為了進(jìn)一步擴(kuò)大表面活性劑在換熱領(lǐng)域的應(yīng)用，其強(qiáng)化傳熱也成為了研究的焦點(diǎn)。

當(dāng)表面活性劑溶液發(fā)生減阻作用時(shí)，其流體內(nèi)部的湍流渦結(jié)構(gòu)會(huì)受到由表面活性劑形成的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的抑制，從而使湍流結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這一特點(diǎn)則為通過(guò)影響湍流結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減阻的其它減阻方法提供了可能的條件，為表面活性劑與其它適當(dāng)?shù)臏p阻方式相結(jié)合的耦合減阻研究提供了指導(dǎo)。因此，表面活性劑與其它減阻方式耦合進(jìn)行高效湍流減阻的研究也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

綜上所述，為了全面認(rèn)識(shí)表面活性劑溶液的減阻機(jī)理，提高其在節(jié)能方面的應(yīng)用價(jià)值和范圍，就需要對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、流變特性、減阻特性、湍流結(jié)構(gòu)特征、強(qiáng)化傳熱以及與其它減阻方法協(xié)同作用的耦合特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文對(duì)作者近年來(lái)在表面活性劑湍流減阻方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并與其它同類研究進(jìn)行了對(duì)比分析。首先總結(jié)分析表面活性劑溶液結(jié)構(gòu)、復(fù)雜流變特性和湍流結(jié)構(gòu)及其與減阻和換熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后闡述表面活性劑和壁面微溝槽協(xié)同作用減阻性能與機(jī)理，并介紹表面活性劑減阻的實(shí)際工程應(yīng)用，最后對(duì)表面活性劑減阻在今后的研究重點(diǎn)提出建議。

1　表面活性劑溶液的流變特性及其微觀結(jié)構(gòu)

1.1 表面活性劑溶液的剪切黏度

靜態(tài)溶液中，表面活性劑分子可以自組裝形成不同形式的膠束結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的膠束結(jié)構(gòu)有球狀、棒狀（又叫做蠕蟲(chóng)狀、絲狀等）、囊泡狀、層片狀以及網(wǎng)狀等[5]。剪切條件下，表面活性劑膠束體系會(huì)形成剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)（SIS）或叫剪切誘導(dǎo)相（SIP），引起剪切黏度的增大，即所謂的剪切增稠現(xiàn)象。表面活性劑溶液中剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形成與其湍流減阻能力有直接關(guān)系，但迄今為止，對(duì)于減阻機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不夠深入和徹底。表面活性劑溶液中膠束組織的狀態(tài)隨濃度、溫度和剪切速率而不同，對(duì)應(yīng)的剪切黏度也不同。為了深入研究表面活性劑溶液剪切黏度的變化規(guī)律，對(duì)不同濃度的十六烷基三甲基氯化銨/水楊酸鈉體系（CTAC/NaSal）進(jìn)行了一系列的流變測(cè)試。

根據(jù)魏進(jìn)家等的測(cè)試結(jié)果[6]，低濃度表面活性劑溶液的剪切黏度與水接近，顯示了牛頓流體特性；但對(duì)于較高濃度溶液，所有測(cè)得的剪切黏度均比水高。對(duì)于一定的剪切速率，不同濃度溶液均存在一個(gè)臨界溫度Tc。在Tc之上，剪切黏度快速下降至水的黏度值，且溫度對(duì)剪切黏度的影響在Tc之前并不明顯。一般地，在Tc之前，剪切黏度隨剪切速率的增加而減小，顯示了剪切稀化特征。溶液出現(xiàn)較高的剪切黏度是由于其內(nèi)部形成了膠束網(wǎng)狀構(gòu)造，而臨界溫度則是對(duì)應(yīng)于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始遭到破壞的溫度。此外，利用非線性應(yīng)力項(xiàng)的Giesekus模型對(duì)剪切黏度進(jìn)行模擬計(jì)算，并將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以考察該模型的適用性。結(jié)果表明，通過(guò)選擇合適的模型參數(shù)，Giesekus模型能很好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

馬寧等[7]對(duì)中等濃度的CTAC/NaSal水溶液進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，一定濃度范圍內(nèi)溶液的剪切黏度隨剪切速率的增大可以分為剪切稀化-剪切增稠-剪切稀化3個(gè)階段，且增稠段隨著濃度增大不斷縮短甚至消失。也就是說(shuō)，剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形成隨濃度升高越來(lái)越不明顯，由此，對(duì)于高濃度的減阻溶液來(lái)說(shuō)，剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)可能不是引起減阻現(xiàn)象的必須因素。但總體來(lái)說(shuō)，剪切黏度隨濃度不斷升高。通過(guò)對(duì)剪切黏度與剪切速率之間的擬合可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于剪切黏度具備完整的3個(gè)變化階段的溶液來(lái)說(shuō)，溶液在增稠前后的剪切黏度與剪切速率的對(duì)數(shù)成正比。

考慮到現(xiàn)有的試驗(yàn)中，通常是給表面活性劑溶液施加一個(gè)不斷增大的剪切應(yīng)力/速率來(lái)研究其黏度的變化，這就存在一個(gè)問(wèn)題：由于剪切應(yīng)力/速率是不斷增大的，一些微弱而短暫的黏度變化很可能會(huì)被掩蓋掉?；诖耍炷鹊萚8]測(cè)試了非常低濃度的CTAC/NaSal水溶液的剪切黏度在恒定剪切速率下隨時(shí)間的演化過(guò)程。此外，在研究表面活性劑溶液增稠機(jī)理時(shí)，大部分研究者都只關(guān)注“誘導(dǎo)時(shí)間”以后剪切黏度的變化情況，而很少有人注意到施加剪切的初始階段溶液黏度的瞬間變化，這其實(shí)是不合理的。因?yàn)轲ざ瘸跏茧A段的變化是后續(xù)一切變化的基礎(chǔ)，拋開(kāi)增稠的基礎(chǔ)去研究增稠機(jī)理是不全面的。因此，徐娜等的實(shí)驗(yàn)完整記錄了施加剪切后溶液黏度的變化情況（0～10000s），以期能從根本上弄清表面活性劑溶液剪切黏度隨時(shí)間變化的機(jī)理。根據(jù)測(cè)試，剪切黏度的演化可以分為5個(gè)階段（圖1）：弱剪切黏度增長(zhǎng)期（第Ⅰ階段），弱剪切黏度下降和穩(wěn)定期（第Ⅱ階段），黏度急劇增長(zhǎng)期（第Ⅲ階段），震蕩調(diào)整期（第Ⅳ階段），基本穩(wěn)定期（第Ⅴ階段）。

圖1 表面活性劑溶液剪切黏度演化曲線(1000μL/L，20oC，5s?1)

第Ⅰ階段中，在剪切作用的拉扯下，膠束的構(gòu)形熵下降，導(dǎo)致單個(gè)膠束長(zhǎng)度增加，膠束纏結(jié)程度升高，由此導(dǎo)致了剪切初期表面活性劑溶液黏度的弱增長(zhǎng)。然而在以往的研究中，此黏度弱增長(zhǎng)現(xiàn)象經(jīng)常被忽略。不可否認(rèn)，忽略此現(xiàn)象對(duì)研究后期剪切誘導(dǎo)時(shí)間并沒(méi)有太大的影響，然而這個(gè)階段黏度的增長(zhǎng)卻對(duì)研究后期顯著的剪切黏度變化的機(jī)理有著很大的影響，因?yàn)楹罄m(xù)黏度的一切變化均以此階段為基礎(chǔ)。第Ⅱ階段中，剪切黏度先下降，隨后達(dá)到穩(wěn)定，其中，黏度的下降是由于膠束解纏引起的。隨著剪切的進(jìn)行，溶液中逐漸形成一些膠束團(tuán)，這些膠束團(tuán)的形成消耗掉了來(lái)自流變儀的剪切能，從而使溶液的剪切黏度能夠維持在一個(gè)基本恒定的狀態(tài)。隨著數(shù)量的增加，這些膠束團(tuán)之間不可避免的相互融合形成更大的膠束團(tuán)，當(dāng)融合后的膠束團(tuán)的體積超過(guò)一定尺度后，溶液中快速形成大的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，溶液的剪切黏度隨之迅速增大，這就是第Ⅲ階段。根據(jù)作者的研究結(jié)果，膠束團(tuán)在剪切內(nèi)壁面上的“粘-滑”作用引起流體的動(dòng)力不穩(wěn)定，導(dǎo)致膠束纏結(jié)增多，繼而加劇了流動(dòng)不穩(wěn)定性。這種反饋?zhàn)饔米罱K導(dǎo)致了大型膠束剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成?？梢钥隙ǖ氖牵z束網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成是非各向同性的。而短時(shí)間內(nèi)形成的剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)必然存在因?yàn)榻宦?lián)不均勻而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，在內(nèi)剪切壁面附近膠束的“粘-滑”作用下，因?yàn)閼?yīng)力集中就形成了剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破裂和重組過(guò)程。第Ⅳ階段中，剪切黏度的變化非常復(fù)雜，黏度的增大或下降，主要看剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況（跟溶液的濃度、剪切速率和溫度有關(guān)）。第Ⅴ階段中，剪切黏度在不斷的震蕩調(diào)整后達(dá)到一個(gè)基本穩(wěn)定值，此時(shí)溶液中形成充分發(fā)展的剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.2 溫度和剪切的協(xié)同作用對(duì)表面活性劑溶液剪切黏度的影響

影響表面活性劑溶液中膠束結(jié)構(gòu)的因素主要有：表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)、溶液的濃度、反離子的種類及濃度、溫度、溶液的pH值，以及溶液受到的剪切強(qiáng)度等。而在實(shí)際應(yīng)用中，表面活性劑溶液是確定的，因此影響其溶液中膠束結(jié)構(gòu)的主要因素是溫度和剪切強(qiáng)度。過(guò)去的幾十年里，對(duì)于剪切作用影響的研究已經(jīng)非常深入和廣泛；同樣，對(duì)于溫度作用的研究也非常多。溫度對(duì)表面活性劑的溶解度影響很大，當(dāng)溫度低于一定值時(shí)，表面活性劑分子會(huì)從溶液中結(jié)晶析出。對(duì)于非離子型表面活性劑溶液，這個(gè)析出溫度稱為濁點(diǎn)。而對(duì)于離子型表面活性劑溶液，早期研究認(rèn)為這個(gè)析出點(diǎn)應(yīng)該是所謂的Krafft點(diǎn)。但是后期研究表明，即使溫度低于Krafft點(diǎn)時(shí)，在沒(méi)有外力作用下，表面活性劑溶液依然能夠保持清澈無(wú)晶體析出。所以對(duì)于離子型表面活性劑溶液，真正的結(jié)晶析出溫度低于Krafft點(diǎn)。當(dāng)溫度高于結(jié)晶溫度但低于Krafft點(diǎn)時(shí)，離子型表面活性劑溶液處于一種類似凝膠態(tài)的亞穩(wěn)狀態(tài)[9-10]。研究表明，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)或Krafft點(diǎn)時(shí)，隨溫度升高表面活性劑溶液中的膠束會(huì)從有序態(tài)變?yōu)闊o(wú)序態(tài)[11]，或者從高度有序態(tài)變?yōu)榈投扔行驊B(tài)[12]，但從低度有序態(tài)向高度有序態(tài)的轉(zhuǎn)變也可能發(fā)生[13]。

在已有的對(duì)剪切和溫度獨(dú)立作用的研究基礎(chǔ)上，近幾年的研究著眼于溫度和剪切的共同作用對(duì)膠束結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換的影響，即在恒定的剪切作用下不斷升高溫度來(lái)測(cè)試表面活性劑溶液中膠束體系的反應(yīng)。從2009年至今，東京都立大學(xué)的一批學(xué)者對(duì)高濃度的非離子型表面活性劑溶液（CnEm/水體系，14≤n≤16，4≤m≤7）進(jìn)行了一系列的研究[14-16]。研究表明，剪切作用下，隨溫度升高，溶液中膠束結(jié)構(gòu)能夠從層片狀轉(zhuǎn)變?yōu)椤把笫[”狀，而且隨溫度進(jìn)一步升高，“洋蔥”狀膠束甚至?xí)无D(zhuǎn)變?yōu)閷悠瑺睢５菍?duì)于離子型表面活性劑溶液的此類研究很少。只有CAPPELAERE等[17]曾經(jīng)測(cè)試過(guò)十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）的亞濃溶液。他們發(fā)現(xiàn)，剪切作用下當(dāng)溫度升高到一定程度后溶液中會(huì)形成向列型液晶相，隨溫度進(jìn)一步升高此相消失。雖然本質(zhì)上溫度作用和剪切作用都是給表面活性劑分子提供能量來(lái)影響其行為，但是兩種能量的作用方式完全不同。升溫是在微觀尺度上給分子提供熱能，使得分子“主動(dòng)”進(jìn)行更強(qiáng)烈的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)；而剪切則是在宏觀尺度上給分子提供動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)分子進(jìn)行更快地定向運(yùn)動(dòng)。因此，相比于剪切或溫度作用的單獨(dú)影響，在剪切和溫度共同作用下，表面活性劑溶液中膠束體系可能出現(xiàn)更為細(xì)微和復(fù)雜的變化。為此，徐娜等針對(duì)非常稀疏的（0.78～3.13 mmol/L）CTAC/NaSal水溶液進(jìn)行了一系列此類試驗(yàn)。研究表明，對(duì)于同一濃度的溶液，不同的剪切速率和升溫速度下膠束的轉(zhuǎn)變過(guò)程差異很大，如圖2和圖3所示。值得注意的是，在合適的濃度、剪切速率和升溫速度下，溶液中膠束的轉(zhuǎn)變很明顯的分成兩個(gè)階段，如圖2～圖4中具有“雙峰”的黏溫曲線。針對(duì)此試驗(yàn)結(jié)果，建立了分子尺寸變化與剪切和溫度的作用之間的關(guān)系式。從中可以發(fā)現(xiàn)，不管是剪切還是溫度，對(duì)膠束的轉(zhuǎn)變都具有兩面性。因此膠束尺寸的變化取決于這兩個(gè)作用強(qiáng)度的“匹配”程度。

1.3 表面活性劑溶液剪切黏度與膠束聚集數(shù)關(guān)聯(lián)分析

圖2 升溫速度為0.0167 oC/s時(shí)，濃度為1.25 mmol/L的溶液在不同剪切速率下的黏溫曲線

圖3 剪切速率為5s-1時(shí)，濃度為1.875 mmol/L的溶液在不同升溫速度下的黏溫曲線

圖4 剪切速率為5s-1，升溫速度為0.0167 oC/s時(shí)，不同濃度溶液的黏溫曲線

膠束聚集數(shù)（Nm）是表面活性劑溶液在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中最基本、最重要的參數(shù)之一。表面活性劑溶液剪切黏度的變化伴隨著膠束聚集數(shù)的改變，因此獲取膠束聚集數(shù)與剪切黏度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系具有非常重要的意義。膠束聚集數(shù)的常用測(cè)定方法有光散射法和熒光法。ZHOU等[18]采用穩(wěn)態(tài)熒光猝滅法測(cè)試了不同表面活性劑溶液的膠束聚集數(shù)隨溫度、溶液濃度、抗衡離子比率的變化規(guī)律，并推測(cè)了溶液內(nèi)部膠束結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著表面活性劑溶液濃度的增加，膠束聚集數(shù)隨之增加，這個(gè)過(guò)程中膠束聚集數(shù)的變化有兩個(gè)顯著特征：第一，膠束聚集數(shù)階躍性變化，并且對(duì)于十二烷基硫酸鈉溶液，Nm發(fā)生突變的濃度區(qū)域與用Cryo-TEM觀察到膠束形狀改變的濃度區(qū)域基本吻合；第二，十二烷基硫酸鈉和十二烷基磺酸鈉溶液在低濃度下（約4～10倍于臨界膠束濃度），Nm與表面活性劑溶液濃度似有線性相關(guān)性。而這個(gè)濃度區(qū)域恰恰是很多表面活性劑溶液的減阻工作區(qū)。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)表面活性劑分子的聚集有無(wú)機(jī)鹽效應(yīng)，即Nm隨著NaCl濃度的增加而增大，這是因?yàn)镹aCl能促進(jìn)表面活性分子的自組裝。但是減阻率并不會(huì)隨著反離子（如NaSal）濃度的增加而持續(xù)增大，也就是說(shuō)并不是膠束聚集數(shù)越大減阻效率越高。

1.4 表面活性劑溶液的拉伸黏度

拉伸黏度的測(cè)量相對(duì)于剪切黏度困難的多，在流變學(xué)中一直是一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)于高黏度的高分子和表面活性劑溶液，有一些有效的測(cè)量方法如均勻拉伸、收縮流、開(kāi)式虹吸等，但這些方法都不適合于稀疏的低黏度表面活性劑溶液。FULLER等[19]第一次提出了對(duì)向噴嘴模型來(lái)測(cè)量低黏度溶液的拉伸黏度。但通過(guò)對(duì)向噴嘴裝置測(cè)得的值并不是流體的實(shí)際拉伸黏度，它還包含動(dòng)壓噴嘴的剪切和流體慣性等的影響。DONTULA等[20]更進(jìn)一步指出流體的剪切黏度過(guò)低時(shí)，采用對(duì)向噴嘴裝置測(cè)得的拉伸黏度并不可靠。所以建議對(duì)向噴嘴裝置用作定性測(cè)量而不是定量測(cè)量拉伸黏度。

盡管如此，拉伸黏度目前最佳的可選測(cè)量裝置仍是FULLER等首次提出的RFX流變測(cè)量裝置，魏進(jìn)家等[6]利用此裝置測(cè)試了一組CTAC/NaSal水溶液的拉伸黏度，如圖5所示?？梢钥闯?，拉伸黏度在一定程度上受噴嘴尺寸的影響。這可能是由于低濃度表面活性劑溶液具有非常復(fù)雜的流變特性，測(cè)量本身往往會(huì)引起測(cè)試樣品的性能變化。溫度對(duì)拉伸黏度在大的拉伸率下的影響很小。在小拉伸率時(shí)，拉伸黏度隨溫度增加而降低。濃度對(duì)拉伸黏度的影響也很小。為了比較，圖5中也給出了RFX所測(cè)得的水的數(shù)據(jù)。可以看出，所測(cè)表面活性劑溶液與水的拉伸黏度沒(méi)有明顯的差別。對(duì)于水得到的拉伸黏度與拉伸率有關(guān)，這是不合理的，因此對(duì)向噴嘴裝置確實(shí)只能用作定性測(cè)量拉伸黏度。如何能夠精確定量測(cè)量低剪切黏度下表面活性劑溶液的拉伸黏度并與減阻現(xiàn)象相聯(lián)系還是目前面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖5 拉伸黏度與拉伸率的關(guān)系

1.5 自由面旋轉(zhuǎn)流表征表面活性劑溶液黏彈性的方法

表面活性劑的湍流減阻現(xiàn)象是由其黏彈性所決定的，借助對(duì)黏彈性的測(cè)量可以進(jìn)行減阻表面活性劑溶液的判別。但目前商用流變儀無(wú)法測(cè)出低濃度表面活性劑溶液的第一正應(yīng)力和彈性模量。為此，SIGINER提出了一種利用自由面旋轉(zhuǎn)流的自由面形狀來(lái)獲取黏彈性流體本構(gòu)方程信息的思想[21]。魏進(jìn)家等[22]借用這一思想，利用PIV對(duì)CTAC/NaSal水溶液進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面活性劑溶液自由面中心的下陷深度h＇與水相比非常小，且隨表面活性劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小。雖然試驗(yàn)中表面活性劑溶液的彈性數(shù)非常小，但彈性仍對(duì)自由面的形狀和二次流的產(chǎn)生有很大的影響，因此利用自由面旋轉(zhuǎn)流中自由面形狀對(duì)微小彈性的敏感性可以代替流變特性測(cè)量，來(lái)進(jìn)行表面活性劑溶液減阻能力的判斷，如圖6所示，在自由面中心下陷深度突然變小的臨界狀態(tài)即為產(chǎn)生減阻性能的開(kāi)始。因此，一個(gè)臨界h＇值可用于判斷引起減阻的黏彈性閥值，從而克服小黏彈性情況下利用商用流變儀測(cè)量無(wú)法判別表面活性劑溶液有否減阻能力的困難。

1.6 表面活性劑溶液的分子動(dòng)力學(xué)和布朗動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬

表面活性劑溶液流變性和微結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究為理解減阻機(jī)理提供了參考。但實(shí)驗(yàn)方法在同時(shí)測(cè)量流變性瞬態(tài)變化與膠束微結(jié)構(gòu)的變化上存在一定困難。模擬方法從膠束微結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究隨膠束運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)力的變化，從膠束微結(jié)構(gòu)變化獲取流變特性。目前的模擬主要采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬膠束的形成，用布朗動(dòng)力學(xué)方法模擬膠束如何形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及其對(duì)流體流變特性的影響。

為了成功模擬表面活性劑溶液內(nèi)部的網(wǎng)狀構(gòu)造，魏進(jìn)家等[23-25]采用一個(gè)組合勢(shì)作用模型來(lái)描述溶液內(nèi)棒狀膠束相互之間的作用。將表面活性劑視為一個(gè)懸浮在黏度為ηs的連續(xù)流體介質(zhì)中的N個(gè)剛性棒狀膠束所構(gòu)成的系統(tǒng)，即假定棒狀膠束是由n個(gè)均勻分布的直徑為σ的球體依次線性連接而構(gòu)成的剛性棒，如圖7所示。

圖6 自由面中心下陷深度與減阻性能的關(guān)系

圖7 棒狀膠束模型及其相互作用示意圖

棒狀膠束之間具有勢(shì)作用力，棒狀膠束和連續(xù)介質(zhì)之間具有水力學(xué)作用且棒狀膠束受到溶劑的布朗力作用。網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)可以看作是由棒狀膠束通過(guò)端部的相互聯(lián)結(jié)所形成，為成功模擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)于兩棒端部球體之間的作用采用Leonard-Jones 勢(shì)模型；為了防止膠束相互重疊，對(duì)兩棒內(nèi)部球體之間的相互作用采用具有排斥作用的軟球勢(shì)模型。這種組合的勢(shì)作用模型稱為WK勢(shì)作用模型，這與傳統(tǒng)的布朗動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬所采用的單勢(shì)作用模型不同。結(jié)果顯示，在低剪切率下可得到表面活性劑溶液內(nèi)部的網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在高剪切率下遭到破壞。而且隨剪切率增大，棒狀膠束逐步變得與剪切流場(chǎng)流動(dòng)方向一致。剪切黏度和第一正應(yīng)力系數(shù)呈現(xiàn)剪切稀化特征，在加入WK勢(shì)作用時(shí)數(shù)值明顯增大，而且此特征與棒狀膠束隨剪切率的增大指向流動(dòng)方向的現(xiàn)象密切相關(guān)。剪切黏度和第一正應(yīng)力系數(shù)隨濃度增大而增大。

圖8 膠束的剛性棒狀模型

圖9 施加流場(chǎng)后膠束系統(tǒng)剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化

在此基礎(chǔ)上，張成偉等[26]采用膠束的持久長(zhǎng)度[27]作為剛性膠束棒的長(zhǎng)度將傳統(tǒng)的球鏈模型改為棒狀模型（圖8），結(jié)合布朗動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)表面活性劑稀溶液膠束體系進(jìn)行了研究（圖9和圖10）。與球鏈模型相比，棒狀模型的優(yōu)勢(shì)在于：一方面可自然表示持久長(zhǎng)度與彎曲剛度的定量關(guān)系；另一方面，單個(gè)膠束棒可代表多個(gè)球形粒子，從而減少了計(jì)算粒子數(shù)，并進(jìn)而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。針對(duì)以往的膠束斷裂能模型，提出了一種膠束間的斷裂能模型，從而克服了膠束受力在連接點(diǎn)的不連續(xù)問(wèn)題。對(duì)于拉伸流動(dòng)，由于流場(chǎng)的拉長(zhǎng)與壓縮，到壓縮方向尺度小于計(jì)算最小允許尺寸時(shí)，計(jì)算被迫停止而在大拉伸率下難以得到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于平面拉伸流采用Kraynik-Reinelt條件實(shí)現(xiàn)了拉伸流動(dòng)的周期可重復(fù)性，從而實(shí)現(xiàn)任何拉伸率下的足夠長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，獲取穩(wěn)態(tài)拉伸黏度。結(jié)果顯示，在低剪切率或拉伸率下，膠束之間可以相互連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著剪切率或拉伸率的變大，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。高斷裂能可提高膠束結(jié)合強(qiáng)度，從而增強(qiáng)黏彈性和拉伸黏度。剪切率或拉伸率的增大，對(duì)剪切或拉伸稀化率的影響較??；膠束柔性的增加，會(huì)加劇溶液的剪切稀化。相比之下，剛性棒狀模型比球鏈模型可更好的預(yù)測(cè)稀疏表面活性劑溶液的流變性。

圖10 對(duì)應(yīng)于圖9中a～c 3個(gè)特征點(diǎn)處的膠束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　表面活性劑溶液減阻特性

傳統(tǒng)的表面活性劑大致可以分為陽(yáng)離子型[28]、陰離子型[29]、兩性離子型[30]和非離子型[31]等，它們彼此之間有著相似的減阻特點(diǎn)，但卻有著各自不同的減阻效果和減阻機(jī)理，這些機(jī)理由于減阻的復(fù)雜性至今仍未能完善，但現(xiàn)有的研究卻能夠?qū)ν蟮难芯刻峁┮欢ǖ臄?shù)據(jù)和理論支持。

對(duì)于表面活性劑溶液減阻性能的研究以實(shí)驗(yàn)研究為主，至今已經(jīng)取得了大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[32-36]，同時(shí)也存在著一些仍需解決的問(wèn)題。對(duì)于表面活性劑，其分別存在著一個(gè)最低的和最高的減阻臨界溫度，一旦溫度高于最高臨界溫度值時(shí)，則較高的布朗熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)使得表面活性劑分子形成的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞，從而使其減阻性能急劇下降；而當(dāng)溫度低于最低臨界溫度值時(shí)，表面活性劑分子不夠活躍，因此很難形成剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這也會(huì)導(dǎo)致其喪失減阻性能。對(duì)于當(dāng)前研究中使用的絕大部分的表面活性劑，其最高臨界溫度隨著表面活性劑濃度的增加而增加，一般大于25℃，比較容易實(shí)現(xiàn)較高臨界溫度條件[33]；然而，對(duì)于最低臨界溫度，傳統(tǒng)的表面活性劑最低一般到15℃[37]，這就導(dǎo)致了低溫條件下難以實(shí)現(xiàn)減阻的難題。這一問(wèn)題將會(huì)極大地增加管路運(yùn)輸特別是在冬季情況下的泵功消耗。

當(dāng)今對(duì)于表面活性劑的減阻研究，大都集中在陽(yáng)離子型表面活性劑上。然而，陽(yáng)離子型表面活性劑一般都帶有一定的毒性，因此限制了它的應(yīng)用。而與陽(yáng)離子型表面活性劑相比，兩性離子型表面活性劑具有較高的生物分解性能和較小的毒性，因此具有很高的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的區(qū)域供冷系統(tǒng)中，常用冷卻到5℃的水來(lái)作為工作流體從總站出口處開(kāi)始進(jìn)行整個(gè)冷卻循環(huán)，而其返回溫度大約為15℃。而通過(guò)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的甘醇與水配比作為工作流體，可以使其初始溫度達(dá)到–5℃，如果其返回溫度也為15℃，則其傳熱溫差將比傳統(tǒng)方式要高10℃。這表明需要更小的流量即可實(shí)現(xiàn)相同的換熱效果，導(dǎo)致泵功的減少，達(dá)到節(jié)能的目的。本課題組魏進(jìn)家教授和日本東京理科大學(xué)川口靖夫教授與美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Zakin教授等[38]共同開(kāi)發(fā)出了一種新型的低溫減阻劑——兩性離子型表面活性劑N，N，N-三甲胺-N’-油酸酰亞胺（文中簡(jiǎn)稱為ZA），并配以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的甘醇不凍液（EG/水）為溶劑，加入NaNO2以提高防腐性能。為了測(cè)試這種兩性表面活性劑溶液在不同溫度和濃度下的減阻特性，分別進(jìn)行了濃度從50～1000μL/L，溫度從–5℃到25℃的減阻性能測(cè)試，其中溫度為–5℃下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。圖12則是魏進(jìn)家等[37]獲得的傳統(tǒng)表面活性劑CTAC的減阻性能曲線。其中雷諾數(shù)Re是基于溶劑的黏度進(jìn)行計(jì)算的。

圖11 新型兩性離子型表面活性劑減阻性能曲線

圖12 0.234 mmol/L CTAC減阻性能曲線

對(duì)比圖11和圖12可以看出，對(duì)于新開(kāi)發(fā)的兩性離子型表面活性劑ZA/EG/水和ZA/NaNO2/EG/水，其減阻曲線與傳統(tǒng)的表面活性劑減阻曲線類似，具有與傳統(tǒng)表面活性劑相同的特點(diǎn)。對(duì)于某一濃度的表面活性劑，其摩擦系數(shù)先隨著雷諾數(shù)的增加而減?。礈p阻率增加），然后會(huì)達(dá)到一個(gè)最小值（即減阻率達(dá)到最大），如果再繼續(xù)增加雷諾數(shù)，則摩擦系數(shù)就會(huì)回升（即表面活性劑開(kāi)始喪失減阻性能），直至回到與牛頓流體一樣的摩擦系數(shù)值。曲線回升時(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)就稱之為臨界雷諾數(shù)Rec。同時(shí)，圖11還反映了臨界雷諾數(shù)隨著表面活性劑濃度的增大而增大。圖12則反映了同一濃度下，表面活性劑的臨界雷諾數(shù)與溫度的關(guān)系：臨界雷諾數(shù)隨著溫度的增加，先增加后減小直至為零，而臨界雷諾數(shù)轉(zhuǎn)折所對(duì)應(yīng)的溫度即為臨界溫度Tc。TAMANO等[39]在對(duì)非離子表面活性劑的減阻性能測(cè)試中也同樣發(fā)現(xiàn)了類似的臨界雷諾數(shù)現(xiàn)象，同時(shí)他們還將非離子表面活性劑與有機(jī)酸混合來(lái)提高臨界雷諾數(shù)和減阻溶液的有效運(yùn)行時(shí)間。

與傳統(tǒng)表面活性劑只能在較高溫度下才有減阻效果不同，新開(kāi)發(fā)的兩性離子型表面活性劑還具有低溫減阻的特性。通過(guò)對(duì)比圖11和圖12可以看出，對(duì)于新開(kāi)發(fā)的兩性離子型表面活性劑ZA/EG/水和ZA/NaNO2/EG/水，在溫度為-5℃下仍能展現(xiàn)出高達(dá)65%以上的優(yōu)良的減阻效果，與傳統(tǒng)的表面活性減阻劑相比，在減阻效果上相差不大，甚至在文獻(xiàn)[38]中還指出了在200μL/L濃度下能獲得高達(dá)83%的減阻效果，這還要優(yōu)于部分傳統(tǒng)減阻劑的減阻效果，因此被CHARLIES教授指出這是減阻科學(xué)領(lǐng)域的重要進(jìn)展[40]。這種新型低溫減阻劑的開(kāi)發(fā)，不僅解決了管路輸運(yùn)過(guò)程中的低溫減阻難的問(wèn)題，同時(shí)也提高了其在換熱領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。在換熱系統(tǒng)中，相比于傳統(tǒng)的最低減阻溫度只有15℃的減阻劑來(lái)說(shuō)，最低溫度至少為-5℃的新型兩性離子型表面活性劑增大了傳熱溫差，使得在換熱量相同的情況下所需要的液體流量變少，直接減少了泵功，不僅在管路輸運(yùn)過(guò)程中能通過(guò)高效的減阻達(dá)到節(jié)能的目的，還能通過(guò)減少泵功來(lái)進(jìn)一步減少能源消耗。

3　湍流特征

雖然在表面活性劑減阻實(shí)驗(yàn)方面取得了大量的研究成果，但由于表面活性劑流體的復(fù)雜性，其減阻機(jī)理至今仍未清晰。為了能進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)表面活性劑的減阻機(jī)理，對(duì)其湍流結(jié)構(gòu)的研究必不可少。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)采用PIV、LDV和數(shù)值模擬等方法對(duì)表面活性劑減阻流動(dòng)的湍流特征進(jìn)行了大量的研究[41-43]，成功地揭示了表面活性劑減阻的部分機(jī)理，同時(shí)也得到了一些新的發(fā)現(xiàn)。

本課題組魏進(jìn)家教授和日本東京理科大學(xué)的川口靖夫教授等為了更清楚地了解表面活性劑的內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)，也用PIV、LDV及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了大量的研究[44-47]。其中圖13為文獻(xiàn)[45]中給出的由魏進(jìn)家等在Re=5000時(shí)，分別對(duì)牛頓流體甘醇水溶液EG/水與50μL/L濃度、溫度為-5℃的新型低溫表面活性劑流體O12/EG/水的內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)進(jìn)行的PIV測(cè)試結(jié)果。從圖13(a)中可以看出，對(duì)于甘醇水溶液這一牛頓流體來(lái)說(shuō)，可以明顯地看到其內(nèi)部有著各種尺度且數(shù)量較多的湍流渦運(yùn)動(dòng)，而且也能清晰地看到流體的上沖和下掃現(xiàn)象。湍流渦的劇烈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了通道中心的高速流體與近壁處的低速流體之間劇烈的動(dòng)量交換，使得流體內(nèi)的雷諾剪切應(yīng)力很大，能量耗散嚴(yán)重。

圖13 x-y平面內(nèi)的瞬時(shí)速度脈動(dòng)分布

然而，對(duì)于新型低溫表面活性減阻劑而言，圖13(b)中的湍流運(yùn)動(dòng)明顯受到了極大地抑制，流體變得十分溫和，湍流渦尺度變大，且數(shù)量較少。同時(shí)流體的上沖和下掃現(xiàn)象也受到了很大地抑制，表明了高低速流體之間的動(dòng)量交換變少了，從而導(dǎo)致了垂直壁面方向和展向湍流脈動(dòng)的減少以及非常小的雷諾剪切應(yīng)力，最終使得溶液出現(xiàn)減阻現(xiàn)象。

研究者們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，也在嘗試著通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)研究表面活性劑溶液的湍流結(jié)構(gòu)。但因表面活性劑復(fù)雜的流變和減阻特性，其精確的模擬研究十分困難，現(xiàn)有的表面活性劑溶液流動(dòng)模擬主要是采用Giesekus本構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行描述，而該模型參數(shù)是從流變測(cè)量數(shù)據(jù)分析擬合得到。然而，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果相差較大[48-52]。這可能是因?yàn)榱髯冄芯渴窃趯恿鳡顟B(tài)下進(jìn)行的，得到的有關(guān)參數(shù)也是層流下的參數(shù)，與實(shí)驗(yàn)研究中的湍流狀態(tài)不太一致造成的。雖然模擬結(jié)果無(wú)法實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在定量上的一致，但在定性上卻能夠反映出相同的變化趨勢(shì)，因此對(duì)研究表面活性劑減阻機(jī)理仍有著十分重要的意義。

圖14和圖15分別為文獻(xiàn)[48]給出的表面活性劑溶液和牛頓流體的平均速度和剪切力分布的直接數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。從圖14中很明顯地看到兩者之間相差較大，但趨勢(shì)一致。對(duì)于表面活性劑溶液，其黏性底層速度梯度減小，對(duì)數(shù)律層上移。因此，數(shù)值模擬可以從定性上對(duì)表面活性劑溶液的減阻機(jī)理進(jìn)行研究，減少因?qū)嶒?yàn)所需的高成本消耗，并能為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。

圖14 平均速度圖

從圖15中則可以看出牛頓流體和表面活性劑溶液各個(gè)剪切應(yīng)力對(duì)總剪切應(yīng)力的貢獻(xiàn)情況，由于實(shí)驗(yàn)中只能得到雷諾剪切應(yīng)力，故圖15(b)中僅有雷諾剪切應(yīng)力的對(duì)比。從圖中可以看出，雖然實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果存在差異，但趨勢(shì)一致。從圖15(a)可以看到，相比牛頓流體，表面活性劑多了一個(gè)黏彈性剪切應(yīng)力的貢獻(xiàn)，而黏性剪切應(yīng)力在近壁處受到極大的抑制，表明了近壁處的流體速度梯度的減小；同時(shí)雷諾剪切應(yīng)力整體受到極大的抑制，甚至在黏性底層內(nèi)雷諾剪切應(yīng)力幾乎可以忽略。從這可以得出：表面活性劑對(duì)摩擦阻力有雙重作用，其一是引入了黏彈性剪切力，增加摩擦阻力；其二是抑制了湍流渦旋結(jié)構(gòu)，減小了湍流剪切應(yīng)力，從而減小摩擦阻力，兩者的博弈決定了表面活性劑溶液的減阻性能。

近年來(lái)，LI等[52]分別對(duì)黏彈性流體湍流流動(dòng)的動(dòng)量方程進(jìn)行空間濾波和對(duì)構(gòu)象張量傳遞方程進(jìn)行時(shí)間濾波的方法，提出了一種新的基于擬序結(jié)構(gòu)和時(shí)間近似去卷積的混合子網(wǎng)格模型（MCT SGS）。該模型在保證模擬結(jié)果與早期的DNS結(jié)果相同準(zhǔn)確度的同時(shí)，還能減少數(shù)值模擬的時(shí)間，這為黏彈性流體的模擬研究提供了新的方法和思路。

圖15 剪切力分布

4　強(qiáng)化傳熱

表面活性劑具有優(yōu)良的減阻性能及其可逆的機(jī)械降解特性，有利于其在實(shí)際封閉式循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用，尤其是集中供熱/供冷系統(tǒng)的應(yīng)用。然而研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑溶液在減阻同時(shí)傳熱性能惡化，這一現(xiàn)象引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，同時(shí)也對(duì)表面活性劑減阻時(shí)換熱性能下降進(jìn)行了大量的研究[53-54]，發(fā)現(xiàn)主要原因是因?yàn)楸砻婊钚詣┌l(fā)生減阻時(shí)所形成的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得流體內(nèi)部尤其是近壁處的湍流渦結(jié)構(gòu)受到極大地抑制，使得流動(dòng)發(fā)生層流化轉(zhuǎn)變，黏性流動(dòng)層厚度增加，對(duì)數(shù)律層上移，法相速度脈動(dòng)受到極大地抑制。而近壁處流體的紊亂程度減弱則會(huì)使流體與壁面的對(duì)流換熱受到極大地抑制，從而導(dǎo)致表面活性劑溶液的傳熱性能惡化。這一特點(diǎn)極大地限制了表面活性劑減阻在換熱領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何在需要的時(shí)候提高表面活性劑的傳熱性能也成為了國(guó)內(nèi)外研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。強(qiáng)化傳熱的方法很多，在早期主要是采用各種裝置通過(guò)剪切的方式來(lái)破壞表面活性劑的剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法降低其減阻能力，提高傳熱能力。然而通過(guò)剪切流場(chǎng)的方式雖然使表面活性劑減阻溶液的傳熱能力在一定程度上得到了提高，但與此同時(shí)帶來(lái)了巨大的壓力損失，這與引入表面活性劑降低阻力、節(jié)約功耗的目的相違背。關(guān)于早期強(qiáng)化傳熱方式的介紹在文獻(xiàn)[55]里有較為詳細(xì)的總結(jié)，這里就不再贅述，這里主要介紹近年來(lái)新的表面活性劑減阻溶液的強(qiáng)化傳熱手段。

WANG等[56]通過(guò)使用流變特性受光照影響的平衡離子與表面活性劑進(jìn)行一定量的配比所得的減阻溶液來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。他們發(fā)現(xiàn)采用反式OMCA平衡離子與表面活性劑EO/12組合可以獲得50%～70%的減阻效果；同時(shí)當(dāng)使用紫外光照射溶液30min左右，可以使溶液中的反式OMCA轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖絆MCA，能極大地減少表面活性劑溶液的臨界雷諾數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)大于20000后，相比于沒(méi)有采用紫外光照射前的溶液，經(jīng)過(guò)紫外光照射后的溶液具有更高的換熱性能，其傳熱下降率由照射前的77%減少到了照射后的27%，極大地強(qiáng)化了傳熱效果。

這是一種通過(guò)外力手段紫外光照射改變表面活性劑溶液內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，其所需的額外設(shè)備及能量的損耗非常大，不利于實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。除了這類通過(guò)外力手段實(shí)現(xiàn)表面活性劑強(qiáng)化傳熱的方式外，還有其他的被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱手段，比如通過(guò)剪切流破壞裝置的方式實(shí)現(xiàn)表面活性劑的強(qiáng)化傳熱，這類手段不需要額外太大太昂貴的輔助設(shè)備，只需要一些簡(jiǎn)單的破壞裝置即可，適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。但是剪切流的強(qiáng)化傳熱方式卻存在著一個(gè)極大的缺點(diǎn)，就是其自身會(huì)造成相當(dāng)大的局部壓力損失，增加泵功消耗而不利于節(jié)能。

鑒于剪切流強(qiáng)化傳熱方式自身的巨大壓損問(wèn)題，為了提高表面活性劑在換熱領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，本課題組魏進(jìn)家教授等[38]打破傳統(tǒng)思維模式，不用局部高速剪切流場(chǎng)產(chǎn)生高的剪切應(yīng)力破壞膠束微結(jié)構(gòu)，而是提出了一種新的強(qiáng)化傳熱方法，利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制的拉伸流控制器產(chǎn)生漸縮漸擴(kuò)的流線型流道，產(chǎn)生拉伸流場(chǎng)來(lái)破壞膠束結(jié)構(gòu)，在壓力損失較小的情況下，有效地提高減阻界面活性劑溶液的傳熱能力。采用拉伸流的方式強(qiáng)化傳熱的原因主要是：相對(duì)于剪切流，拉伸流在很寬的分散相與連續(xù)相的黏度比范圍內(nèi)，其毛細(xì)管數(shù)的臨界值均小于1，而且拉伸流場(chǎng)中的流體粒子僅僅被拉伸，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，不會(huì)因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量耗損，所以拉伸流動(dòng)在較小的能耗下對(duì)粒子的破碎更有效，更有利于膠束結(jié)構(gòu)的破壞，激發(fā)湍流，提高界面活性劑減阻溶液的傳熱?；诶炝鲌?chǎng)上述優(yōu)點(diǎn)，魏進(jìn)家等自行設(shè)計(jì)了不同的拉伸破壞裝置對(duì)這種方法進(jìn)行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)不同的拉伸破壞裝置對(duì)表面活性劑減阻性能和傳熱性能具有不同的效果。拉伸破壞裝置較傳統(tǒng)的剪切破壞裝置來(lái)說(shuō)，其具有能顯著提高表面活性劑換熱性能的同時(shí)造成較小的壓力損失的優(yōu)點(diǎn)。

圖16和圖17分別是文獻(xiàn)[38]中給出的通過(guò)阻塞裝置來(lái)產(chǎn)生拉伸流場(chǎng)破壞表面活性劑膠束結(jié)構(gòu)的裝置示意圖以及其對(duì)Tin=?5℃下的表面活性劑ZA/NaNO2/EG/水溶液換熱性能的影響。從圖17可以看出，Re=10000時(shí)在阻塞裝置的作用下，表面活性劑的傳熱下降率從44%減少到了18%，說(shuō)明阻塞裝置起到了26%的強(qiáng)化換熱效果，也證實(shí)了這種采用拉伸流的方式強(qiáng)化換熱的可行性，ROZANSKI教授也指出了魏進(jìn)家等提出的拉伸流強(qiáng)化換熱裝置確實(shí)可大幅度提高表面活性劑溶液換熱能力[57]。拉伸流阻塞裝置與其他傳統(tǒng)的剪切流強(qiáng)化換熱裝置（如ZAKIN教授等[58]采用的兩種混合器型破壞裝置Mixer A和B，以及KAWAGUCHI教授等[59]采用的三重篩網(wǎng)型破壞裝置）的壓損對(duì)比見(jiàn)圖18。

從圖18中可以直觀地看出采用拉伸作用的阻塞裝置后，由阻塞破壞裝置造成的局部壓損非常小，遠(yuǎn)小于其他強(qiáng)化換熱方式所造成的局部壓損，因此表明拉伸流阻塞破壞強(qiáng)化換熱裝置具有更小的壓損，能極大地減少由強(qiáng)化換熱裝置所導(dǎo)致的額外的能力損耗，相較于傳統(tǒng)剪切流強(qiáng)化換熱裝置在實(shí)際的表面活性劑換熱領(lǐng)域中更具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)拉伸流的方式破壞表面活性劑膠束結(jié)構(gòu)的新方法和新思路為表面活性劑的強(qiáng)化換熱研究提供了新的思路，大大提高了表面活性劑在換熱領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

圖16 阻塞破壞裝置

圖17 阻塞破壞裝置對(duì)于換熱的影響

圖18 阻塞破壞裝置與其他破壞裝置的局部壓降對(duì)比圖

5　表面活性劑與壁面微溝槽耦合減阻特性

在早期的研究中，大多都是單獨(dú)對(duì)表面活性劑進(jìn)行研究，而將其與其它減阻方法共同作用的耦合減阻特性研究進(jìn)行得比較少。鑒于不同減阻方法可能具有不同的減阻機(jī)理以及它們的減阻機(jī)理具有互補(bǔ)的可能性這一思路，近年來(lái)研究者們對(duì)不同減阻方法耦合的研究已經(jīng)逐步開(kāi)展起來(lái)，但大多數(shù)都是以高分子聚合物為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行耦合研究[60-61]，對(duì)于以表面活性劑為基礎(chǔ)的耦合研究相對(duì)較少。然而，表面活性劑具有可逆的機(jī)械降解特性，決定了在其在高剪切環(huán)境中較聚合物更具優(yōu)勢(shì)，因此將表面活性劑與其它減阻方法相結(jié)合進(jìn)行研究具有十分重要的意義。當(dāng)前關(guān)于表面活性劑與其它減阻方法的耦合研究，主要有表面活性劑與聚合物的耦合減阻研究[62]和表面活性劑在粗糙管路中的減阻及傳熱研究[63-65]等。

文獻(xiàn)[65]進(jìn)行了不同濃度的表面活性劑在不同管徑、不同粗糙度的圓管內(nèi)的減阻性能研究，發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)粗糙度的增加，減阻消失時(shí)的臨界雷諾數(shù)減小，但是，粗糙度對(duì)臨界剪切應(yīng)力沒(méi)有影響。同時(shí)指出了表面活性劑在粗糙管中的相對(duì)減阻程度要大于光滑管的情況，這個(gè)結(jié)論是相對(duì)于水在同一粗糙度下的摩擦系數(shù)計(jì)算得到的。雖然表面活性劑在粗糙管中的相對(duì)減阻程度比光滑管要大，但是其在粗糙管中的摩擦系數(shù)卻比其在光滑管中要大，因此這種類型的粗糙管對(duì)表面活性劑的減阻效果沒(méi)有增強(qiáng)作用。這一現(xiàn)象在早期的研究中也可以發(fā)現(xiàn)[63-64]。

為了找到另一種合適的減阻手段與表面活性劑相結(jié)合，在表面活性劑減阻的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)減阻效果，擴(kuò)大表面活性劑在減阻領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，本課題組的黃崇海等[66]從現(xiàn)有的減阻手段的減阻機(jī)理出發(fā)，通過(guò)分析當(dāng)前提出的減阻機(jī)理，初步洞察每種減阻手段的內(nèi)在減阻本質(zhì)因素及其對(duì)流體內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)等的影響，并結(jié)合表面活性劑的減阻機(jī)制及其在減阻發(fā)生時(shí)流體內(nèi)部湍流結(jié)構(gòu)的變化情況，發(fā)現(xiàn)了縱向微溝槽壁面減阻手段與表面活性劑兩者之間具有減阻機(jī)理互補(bǔ)的可能性，因此對(duì)這兩種減阻方式相結(jié)合進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。

縱向微溝槽壁面減阻與表面活性劑減阻相結(jié)合，它們的減阻機(jī)理存在互補(bǔ)的可能性分析如下。

（1）經(jīng)過(guò)對(duì)表面活性劑溶液減阻時(shí)的減阻和湍流特性的分析以及其減阻機(jī)理的眾多實(shí)驗(yàn)研究[18,36,67]，發(fā)現(xiàn)表面活性劑溶液存在相當(dāng)大范圍的最大減阻雷諾數(shù)區(qū)間，而在該減阻雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi)，流體中的小尺度湍流渦受到表面活性劑剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)SIS的抑制作用而轉(zhuǎn)變成了大尺度的渦，也就是說(shuō)，界面活性劑使得湍流流體發(fā)生了層流化轉(zhuǎn)變，抑制了流體中小渦的爆發(fā)頻率，使得流體中保留的主流渦為較大尺度的渦。而且，在該減阻雷諾數(shù)區(qū)間內(nèi)，其最大減阻率基本保持不變，流體中保留的主流大尺度渦的尺度也在一個(gè)相對(duì)較寬的范圍內(nèi)保持不變，這與牛頓流體有著很大的不同。對(duì)于牛頓流體，其流體中的渦會(huì)隨著雷諾數(shù)的逐漸增大而不斷減小，因此其流體中主流渦的尺度變化范圍十分的寬廣，這也就成為了限制某些通過(guò)抑制流體中渦的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)減阻的方法的應(yīng)用。

（2）縱向微溝槽壁面減阻是一類通過(guò)約束流體近壁湍流渦的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)減阻作用的手段。研究界認(rèn)為，沿流向排布的縱向微溝槽的減阻主要是由于溝槽尖峰能破壞流向渦，抑制流向渦和低速條帶的形成，約束湍流渦的橫向運(yùn)動(dòng)，從而減少近壁區(qū)域內(nèi)流體間的動(dòng)量傳遞和湍流強(qiáng)度，同時(shí)溝槽的存在還能阻止與其開(kāi)口尺度相當(dāng)以及比其開(kāi)口尺度要大的近壁流向湍流渦侵入溝槽槽谷內(nèi)部，減少了微溝槽上方高速流體與溝槽槽谷內(nèi)部低速流體的動(dòng)量交換，將包含有劇烈湍流運(yùn)動(dòng)和能量耗散的流體層向遠(yuǎn)離壁面的方向推移，從而使槽谷黏性底層增厚，使槽谷內(nèi)保持著較為“安靜”的低速流動(dòng)的流體，從而使整體的表面摩擦力減小，達(dá)到減阻的效果。

（3）通過(guò)對(duì)縱向微溝槽的減阻機(jī)理的分析，將縱向微溝槽應(yīng)用于表面活性劑減阻流體環(huán)境之中，通過(guò)表面活性劑減阻流體為縱向微溝槽減阻提供較牛頓流體更良好的減阻條件（即流體中主流渦的尺度相對(duì)較大且在表面活性劑減阻區(qū)間內(nèi)的尺度變化范圍?。诒砻婊钚詣p阻的同時(shí)發(fā)揮縱向微溝槽的減阻功能，不僅能提高整體的減阻效果，還能擴(kuò)大縱向微溝槽和表面活性劑的減阻應(yīng)用范圍。因此，將縱向微溝槽與表面活性劑相結(jié)合進(jìn)行研究是十分必要且可行的。但是，值得指出的是縱向微溝槽壁面的減阻方式與其開(kāi)口尺度或間距有關(guān)，因此只有合適尺度的微溝槽與表面活性劑相結(jié)合才能起到增強(qiáng)減阻的效果。

圖19給出的是本課題組經(jīng)過(guò)對(duì)縱向微溝槽與表面活性劑減阻機(jī)理的初步分析后，采用銑床加工出來(lái)的間距s=0.7mm，高度h=0.4mm，尖角α=53°的縱向微溝槽橫截面示意圖，并將其與不同濃度的表面活性劑相結(jié)合進(jìn)行了減阻性能的研究，結(jié)果如圖20所示。

圖19 縱向微溝槽橫截面示意圖

從圖20中可以看出，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用的溝槽在無(wú)表面活性劑的情況下，在實(shí)驗(yàn)的整個(gè)雷諾數(shù)范圍均無(wú)減阻效果，而是出現(xiàn)增阻現(xiàn)象。這主要是因?yàn)槲喜鄢叽绫容^大，且加工的表面粗糙度也較大造成的。然而，通過(guò)對(duì)比表面活性劑溶液在光滑通道和溝槽通道下的減阻曲線可以看出，溝槽通道下表面活性劑的減阻效果增強(qiáng)了大約5%，其中增強(qiáng)減阻效果最顯著的是70μL/L濃度，然后按照100μL/L、150μL/L和50μL/L的順序依次遞減。這種表面活性劑在微溝槽通道下增強(qiáng)減阻效果的現(xiàn)象是一個(gè)令人鼓舞的現(xiàn)象，不僅驗(yàn)證了之前對(duì)兩者減阻機(jī)理互補(bǔ)可能性分析的正確性，同時(shí)也為微溝槽與表面活性劑耦合減阻在更寬廣的領(lǐng)域的應(yīng)用提供了思路。

圖20 光滑和溝槽通道下CTAC減阻性能對(duì)比

6　表面活性劑的應(yīng)用

鑒于表面活性劑具有的可逆的機(jī)械降解特性以及其高達(dá)60%～80%的減阻特性，決定了其在實(shí)際的工業(yè)管路輸送中，特別是循環(huán)式輸送系統(tǒng)中較其他減阻方式具有更大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力與價(jià)值。表面活性劑減阻在國(guó)外集中供熱/供冷系統(tǒng)中已經(jīng)取得了一定程度的成功應(yīng)用[68-70]。然而，這種將減阻劑湍流減阻技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的研究在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，相關(guān)的研究還比較少。鑒于此，本課題組的魏進(jìn)家教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李鳳臣教授和北京中國(guó)石油大學(xué)的宇波教授[2]首次將這種表面活性劑湍流減阻技術(shù)引入我國(guó)的集中供熱/供冷系統(tǒng)中，在青島的一個(gè)供暖系統(tǒng)中進(jìn)行了表面活性劑在實(shí)際供熱系統(tǒng)中的減阻劑傳熱特性的研究，得到了最高為11.7%的增輸率，在同流量情況下能使泵功減少28.4%，取得了很好的成效，為減阻劑在國(guó)內(nèi)集中供熱/供冷系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考價(jià)值。

同時(shí)，本課題組的馬寧等[4,34]還對(duì)較小尺寸管徑下的表面活性劑減阻性能進(jìn)行了研究，并提出了可以利用Hoyt的尺度放大方法[71]，將小尺寸管徑下的減阻數(shù)據(jù)放大到與工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的大尺寸管徑，從而獲得相應(yīng)的大尺寸管徑下的表面活性劑減阻特性的新思路，并將這種通過(guò)尺度放大的方法得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與KAWAGUCHI等[72]在大尺寸管徑下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者吻合較好。這表明了將Hoyt尺度放大方法應(yīng)用于表面活性劑的尺度放大是可行的。同時(shí)，馬寧等還用Hoyt尺度放大方法將在小尺寸管徑下的減阻數(shù)據(jù)放大應(yīng)用到上述青島的實(shí)際供熱系統(tǒng)的減阻性能預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。這一放大方法的使用為表面活性劑在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域的大尺寸管徑條件下的減阻性能提供了一種預(yù)測(cè)方法。

7　結(jié) 語(yǔ)

盡管對(duì)表面活性劑的流變、減阻、湍流結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化換熱及與其它減阻方法的耦合作用等進(jìn)行了大量的研究，得到了大量的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)和結(jié)論，但在其減阻機(jī)理、最優(yōu)的強(qiáng)化換熱方式及通過(guò)耦合方法進(jìn)一步提高減阻能力以及工業(yè)應(yīng)用等方面需要進(jìn)一步的研究。針對(duì)表面活性劑現(xiàn)有研究的不足，對(duì)于未來(lái)的研究提出以下幾點(diǎn)建議：①環(huán)境友好的高效表面活性減阻劑的篩選和開(kāi)發(fā)以及表面活性劑在使用完后的回收處理；②鑒于拉伸流場(chǎng)能顯著提高表面活性劑的換熱性能及其較小的壓損優(yōu)勢(shì)，對(duì)拉伸裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及在強(qiáng)化換熱部分的優(yōu)化布置，提高表面活性劑溶液的換熱能力；③通過(guò)合理地分析各種減阻手段現(xiàn)有的機(jī)理，將表面活性劑與其他減阻方式（如縱向微溝槽壁面減阻等）相結(jié)合，深入研究它們的耦合特性，以便進(jìn)一步提高減阻性能和擴(kuò)大二者的減阻應(yīng)用范圍；④在尺度放大、防腐以及減阻持久性方面開(kāi)展有關(guān)表面活性劑的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用研究，為表面活性劑從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用做出指導(dǎo)。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Cf—— 范寧摩擦系數(shù)

Cm—— 表面活性劑濃度

DR—— 減阻率，%

H′—— 旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)平均液體高度，mm

H—— 二維通道半寬，mm

h′—— 表面活性劑溶液自由面中心的下陷深度，mm

h—— 縱向微溝槽高度，mm

Lp—— 剛性膠采樣棒的長(zhǎng)度，mm

N—— 剛性棒狀膠束個(gè)數(shù)

Nm—— 膠束聚集數(shù)

Nu—— 努塞特?cái)?shù)

Per—— 佩克萊數(shù)，量綱為1

Re—— 以通道高度或管徑計(jì)算的雷諾數(shù)，量綱為1

s—— 縱向微溝槽間距，mm

T—— 溫度，℃

Tc—— 臨界溫度，℃

Tin—— 液體溫度，℃

U—— 流體平均速度，m/s

U+—— 平均速度，量綱為1

y+—— 壁面距離，量綱為1

α—— 縱向微溝槽尖峰夾角，（°）

ΔP—— 壓力損失，Pa

ηs—— 連續(xù)流體介質(zhì)的黏度，Pa?s

ηE—— 拉伸黏度，Pa?s

θ—— 剛性膠束棒間的夾角，（°）

ρ—— 流體密度，kg/m3

σ—— 膠束球體直徑，mm

σxy—— 剪切應(yīng)力，N

參 考 文 獻(xiàn)

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Research progress concerning turbulent drag reduction of surfactant solution

WEI Jinjia，HUANG Chonghai，XU Na
（State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

Abstract：In turbulent flow drag reduction applications，surfactant additive is more applicable than polymer for the flow with high shear or in the closed circulation system due to its reversible mechanical degradation advantage. However，there is not enough understanding of the complicated rheology and drag-reduction mechanism of surfactant solution，limiting its practical application in the drag reduction field. This review introduces the research progress of surfactant drag reduction conducted by the authors in recent years on microstructure，complicated rheology characteristics，turbulent structure，as well as their relations with drag reduction and heat transfer，and analyzes the combined drag reduction effect of surfactant additives in the flow and microgroove fabricated on the wall. The stretch devices can significantly improve the heat transfer performance of surfactant drag-reducing flow with a lower pressure loss penalty. To the shortages of present surfactant drag reduction research，several suggestions are given for the future study. The first is to develop environmentally friendly and effective surfactant，the second is optimal design and layout of heat transfer enhancement device for drag-reducing flow，the third is the study on synergetic effect of dragreduction by combing surfactant drag reduction and other drag-reducing ways，and the final one is practical industrial application research on the scale-up，anticorrosion and persistence effect of surfactant drag reduction.

Key words：surfactant；turbulent flow；rheology；heat transfer

中圖分類號(hào)：TE08；TV131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）06–1660–16

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.007

收稿日期：2016-01-15；修改稿日期：2016-02-15。

基金項(xiàng)目：國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51225601）。