不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究

摘要

自从上世纪四十年代Toms首次正式报告高分子聚合物稀溶液具有减阻效果以来，湍流减阻吸引了众多学者的广泛关注，减阻技术在现代流体力学工程应用方面处于重要地位。经过六十多年的研究，减阻理论已取得了一些成果，尤其在表面活性剂和人工合成高分子聚合物方面。减阻技术已广泛应用在消防、喷射灌溉、排污泄洪、石油输运以及船舶航运等领域。近年来人们又将目光转向了天然高分子聚合物，因其具有环境友好的特点，使得对天然高聚物减阻性能的研究具有重要意义。
　　黄原胶(xanthan gum)又称为黄胶，是黄单胞菌多糖，它的相对分子量一般在2×106-5×107之间，是一种由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮酸组成的“五糖重复单元”结构共聚物。由于黄原胶相对分子量较大，且其分子链具有长直链，主链上带有少量较大的侧链，这些结构特性使其成为一种很好的减阻剂。
　　为满足高聚物减阻特性实验要求，设计并完成搭建减阻特性实验台，本文在该实验台上对不同直径连续循环光滑管道中黄原胶水溶液流动的减阻特性进行了系统的实验研究。首先用R/S流变仪测量了多种浓度的黄原胶水溶液的流变特性，并通过幂律模型拟合，得到各种浓度黄原胶水溶液的剪切黏度与剪切速率的关系式。并在黄原胶溶液流变特性实验的基础上，分析了黄原胶溶液的减阻起始现象、浓度效应、管径效应、以及抗剪切特性。其中变化参数为(1)管道直径，共有三种管径，分别为5、10和20 mm;(2)黄原胶溶液的浓度，变化范围为50-550ppm;(3)流速，用广义雷诺数(ReM)来表征，变化范围为0-50000。实验测量了不同参数下的管道压降（Δp）和体积流量(Q)，得到了广义雷诺数(ReM)与减阻率(DR)的关系曲线，减阻率随黄原胶水溶液浓度(C)的变化曲线， ReM数对沿程阻力系数（λ）的影响曲线，以及减阻率随剪切时间的变化曲线。实验结果表明，黄原胶是很好的减阻剂;在较低ReM数流动时黄原胶在相对较小直径(5和10mm)管道中表现为B型减阻特性，而在较大管径(20mm)中则为A型减阻;在高ReM数时黄原胶水溶液在三种管径管道流动中皆表现为B型减阻，由于其所主要具有的B型减阻特性，使得黄原胶具有较好的抗剪切特性，在此基础上，对实验过程中发现的黄原胶水溶液减阻的管径效应进行了初步分析。通过对黄原胶溶液减阻特性的全面分析，加深了对湍流减阻机理的认识，同时所得结论对黄原胶的减阻工程实际应用有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

符号参考表

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 添加剂减阻的研究及应用

1．2．1 减阻剂的分类

1．2．2 减阻剂的应用

1．3 高分子减阻的国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本课题研究内容

第二章 高聚物溶液的减阻条件及减阻机理

2．1 高聚物溶液的基本特性

2．1．1 高聚物溶液的非牛顿性

2．1．2 聚合物溶液的分子量效应

2．1．3 聚合物溶液的浓度效应

2．1．4 聚合物溶液的温度效应

2．2 高聚物溶液的减阻条件

2．2．1 高聚物的分子量

2．2．2 分子量分布

2．2．3 分子主链结构

2．2．4 分子侧基结构

2．2．5 高聚物的分子构象

2．3 高聚物溶液的减阻机理

2．3．1 Toms的伪塑说

2．3．2 Virk的有效滑移假说

2．3．3 粘弹性假说

2．3．4 湍流脉动抑制假说

2．3．5 涡能量产生抑制假说

2．4 本章小结

第三章 黄原胶的性质及流变特性实验研究

3．1 黄原胶的性质

3．1．1 黄原胶的分子构象

3．1．2 黄原胶的流变特性

3．2 流变特性实验研究

3．2．1 黄原胶溶液的定量配制

3．2．2 R／S流变仪测量原理

3．3 流变特性实验测量结果及分析

3．3．1 流变特性实验测量结果

3．3．2 基于幂律模型的剪切粘度拟合

3．4 本章小结

第四章 实验装置及实验方法

4．1 实验系统概况

4．1．1 实验装置

4．1．2 溶液配制

4．2 实验方法

4．3 管径率定

4．3．1 管径率定的必要性

4．3．2 管径率定原则及结果

4．4 实验原理及评价准则

4．4．1 实验原理

4．4．2 评价准则

4．5 本章小结

第五章 黄原胶水溶液减阻特性实验研究

5．1 减阻起始现象

5．2 浓度效应

5．3 减阻率DR与ReM数的关系

5．4 管径效应

5．5 抗剪切性能

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要工作及结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和专利申请