微管中聚丙烯酰胺的减阻特性研究

摘要

微流体设备已被广泛地应用于电子工业、化学工业和生物医学等领域，如微换热器，微混合、微分离过程，燃料电池等。微尺度下的流动过程由于尺寸效应、表面效应等因素的影响，相比常规尺度流动阻力会增大，而安全、清洁、高效、节能和可持续性是微流体设备所要达到的目标，所以减少微尺度下的流动阻力具有重要意义。本文主要通过实验研究了聚丙烯酰胺(PAM)水溶液在不锈钢微管内的减阻特性并以去离子水的流动结果作为参考，使用Fluent软件模拟了PAM水溶液和去离子水的流动特性。本论文的主要内容如下:
　　1.测量了PAM水溶液在温度为285.15-306.15K范围内的密度值，在温度为285.15-313.15K范围内的黏度值和温度为288.15 K下的流变性能，通过类Arrhenius公式关联了PAM水溶液的黏度数据并使用幂律模型关联了PAM水溶液的流变性数据，均取得了较好的关联效果。
　　2.研究了五种不同浓度的PAM(Mw=300 W和1000W)水溶液在管径为116-1016μm微圆管内的减阻特性并以去离子水的流动结果作为参考。实验结果表明:在微管内加入PAM后，层流区摩擦阻力曲线会偏离Poiseuille层流曲线，其摩擦曲线会位于Poiseuille层流凸线上方，在微管管径越小和溶液浓度越大时，两者之间的差别越明显;在过渡区，微管内会出现减阻现象，其过渡区范围相比去离子水过渡区范围会明显变宽;在湍流区，流动体系的摩擦系数与去离子水的摩擦系数之间的差别会变小。
　　3.本实验在PAM重均分子量Mw=1000W、管径d=523μm、雷诺数Re=5016和PAM水溶液浓度c=30 ppm时，减阻率达到最大，此时DRmax(％)为59.30％。还提出了修正系数β来表示PAM的加入对流动过程的影响，并利用特征参数β来修正Moody方程，建立了用于计算PAM水溶液流动处于湍流状态下摩擦系数的计算式，其计算值与实验值的平均绝对偏差AAD(％)为2.04％。
　　4.通过Fluent软件对PAM水溶液和去离子水的流动特性进行了模拟研究，并将模拟结果与实验结果进行了对比。去离子水在微管内流动处于层流区、过渡区和湍流区的模拟结果与相应的实验结果的平均绝对偏差AAD％为5.21％。PAM水溶液在微管内流动的模拟结果表明:在层流状态下流动阻力会增大，该结论与实验结果是一致的;在过渡状态和湍流状态下模拟结果并不会出现减阻效果，该结论与实验结果是不一致的，并对其相关原因进行了讨论与分析。

目录

声明

致谢

摘要

缩写、符号清单表

1 文献综述

1．1 前言

1．2 微尺度下聚合物减阻流动的研究背景

1．2．1 常规尺度下聚合物溶液减阻研究进展

1．2．2 微尺度下聚合物溶液的流动研究进展

1．2．3 影响聚合物减阻剂减阻效果的因素

1．2．4 聚合物减阻流动特性

1．2．5 聚合物减阻理论与减阻方程

1．3 微管内聚合物减阻流动的数值模拟

1．3．1 CFD模拟软件在管道流动中的应用

1．3．2 Fluent软件中的湍流模型和壁面函数

1．3．3 Fluent软件中的非牛顿流体模型

1．3．4 微管内聚合物减阻流动的模拟现状与意义

1．4 聚合物减阻研究工作存在的不足与展望

1．5 本文研究目的与内容

2 PAM水溶液的物性测量

2．1 前言

2．2 实验方法

2．2．1 实验仪器与PAM水溶液的配置

2．2．2 PAM水溶液密度测量方法及原理

2．2．3 PAM水溶液黏度测量方法及原理

2．2．4 PAM水溶液流变性测量方法及原理

2．3 结果与讨论

2．3．1 PAM水溶液的密度测量结果

2．3．2 PAM水溶液的黏度测量结果

2．3．3 PAM水溶液的流变性测量结果

2．4 本章小结

3 PAM水溶液在微管中减阻实验

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验装置与过程

3．2．2 微管特征尺度的测量

3．2．3 PAM水溶液的配制

3．2．4 实验数据处理

3．2．5 实验不确定度分析

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 微管中PAM水溶液的减阻流动特性

3．3．2 PAM水溶液层流区流动特性

3．3．3 PAM水溶液过渡区流动特性

3．3．4 PAM水溶液湍流区流动特性

3．4 本章小结

4 PAM水溶液在微管中流动模拟研究

4．1 前言

4．2 稳态数值模拟研究

4．2．1 管道模型的建立及前处理

4．2．2 稳态模拟过程中流动模型的选择及参数的设置

4．2．3 微管内稳态流动数值模拟的数据处理

4．3 数值模拟结果与讨论

4．3．1 微管管道模型与湍流模型的选择

4．3．2 模拟结果分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

作者简介