一种降低圆管发展湍流段的减阻实验装置及其使用方法

摘要

本发明涉及表面活性剂减阻实验领域，特别涉及一种降低圆管湍流发展段的减阻实验装置及其使用方法。本方法是在整个减阻实验装置的循环回路中的进液腔室和测试段的连接处固定安装一特定形状的扰动流体流动状态的装置‑内齿型扰流装置。在进行实验时，循环回路的溶液通过内齿型扰流装置，在内齿型扰流装置的作用下，圆管内溶液在管口近管壁区的流动状态发生一定的改变，加快溶液从层流向湍流状态的转变。本发明解决了形成完全湍流状态测试管较长的问题，降低了进口段长度，可以较早实现层流向完全湍流的转变，节约了实验成本，提高了实验效率，达到了降低了对实验室的要求的目的，使得实验更为便利。

说明书

技术领域

本发明涉及表面活性剂减阻实验领域，特别涉及一种降低圆管湍流发展段的减阻实验装置。

背景技术

表面活性剂湍流减阻技术是在长距离液体输送或者液体循环系统中可有效利用的节能措施之一有着广泛的应用前景,对提高能源利用效率,保护生态环境等都有着重要的意义。因此进行表面活性剂的减阻实验对实际生产应用有一定的指导意义。但由于表面活性剂减阻现象只能在流体处于湍流状态下才能发生，而当溶液处于层流时，减阻是不会发生的。因此，鉴于表面活性剂减阻的这种特性，设计的减阻实验装置的测试管长度必须满足流体通过时，其流动状态从层流完全转变为湍流。当在圆管中进行流体减阻的实验时，流体在圆管的流动状态随着雷诺数的变化而逐渐发展为稳定湍流，这种转变需要一定时间。由于不同管径的圆管进行减阻实验需求的充分发展湍流段的长度要求也不一致，随着减阻实验圆管管径的不断增大需求的发展段的会更长，这就导致整个搭建的实验平台也随之增大，进而对实验室的场地范围也提出了更高的要求。

但是在现有的减阻特性的实验研究中，由于湍流减阻的特性决定了流体必须在完全湍流状态下才会产生减阻效果。因此减阻实验的前提是测试管中溶液的流动状态要达到完全湍流。对于不同的管径要求的发展段长度都不一样。大多数减阻实验都是在小管径或者微通道中进行的，因为这样可以在较短测试管中实现完全湍流，但对于大管径的减阻实验进行的很少。如：江苏大学禹燕飞实验管径分别为5mm、10mm、20mm，发展段长度根据经验公式L≧138D设计；大连理工大学刘兴华做的就是微通道的减阻流动特性研究；忽略了大管径对减阻的影响效果，同时对于大管径的发展段长度也没有明确的设计标准。

目前，国内现有减阻特性实验装置中，很少考虑到降低充分发展的长度。如专利CN201310019881.7和CN200710117757.9，只是依据早期学者进行的一些湍流实验得出的经验公式设计的发展段长度。虽然实现了充分发展的湍流状态，可以实现减阻数据的测量，但在进行较大管径的表面活性剂减阻实验时，则需要的发展段很长，增加了实验的复杂性和实验成本。在国外减阻实验中也有一些增加扰动的设置：如Moon／Rudinger，1977设计的阶梯形；ould／Stevernson。1990设计的的喷嘴装置。阶梯型的扰动装置和喷嘴装置在一定程度上也增加了湍流转变，但对于管径的要求有一定的局限性，加工设计亦不如内齿型扰流装置方便，内齿型扰流装置可以适应于不同管径的场合，并且其安装更换拆卸都方便。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题，提供一种降低圆管发展湍流段的减阻实验装置及其使用方法。

本发明的目的是这样实现的：一种降低圆管发展湍流段的减阻实验装置，包括，储液箱、搅拌器、测试段、内齿型扰流器、进液腔室、出液腔室、出液管、进液管、循环泵、滤网、排沫阀、微差压变送器、电磁流量计，储液箱内设置有搅拌装置，储液箱下部连接有进液管，进液管另一端连接至进液腔室，进液管上从靠近储液箱一端开始依次设置有循环泵和电磁流量计，进液腔室内设置有滤网和排沫阀，进液腔室另一端连接测试段，测试段另一端连接至出液腔室，进液腔室与测试段的连接处设置有内齿型扰流器，测试段上靠近出液腔室的一端设置有微差压变送器，出液腔室另一端连接出液管，出液管另一端连接至储液箱。

一种降低圆管发展湍流段的减阻实验装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：选取补偿离子与表面活性剂的质量配比为1:1∽1:1.5范围内配置浓度为10ppm-100ppm的溶液；步骤二：循环泵上的电源线与外部插座接通后开始运转，储水箱中加入配置好的溶液通过循环泵的动力作用输送到进液管路中，同时打开与进液管路连接的进分液腔室的截止阀让流体在进分液腔室内得到缓冲并充满进、出分液腔室，待运行10-15分钟后，流体完全充满进、出分液腔；步骤三：打开排沫阀排除泡沫，静置10-15分钟后，再重新启动循环泵，待装置稳定运行10-15分钟后开始记录实验数据；步骤四：更换不同的温度和表面活性剂浓度工况，重复上述步骤一至步骤三，收集多次实验数据；步骤五：整理分析记录的流量和压降，后通过公式C

进一步的讲，滤网将进液腔室靠近进液管一端和靠近测试段一端分为两段。

进一步的讲，排沫阀设置在靠近测试段一端的进液腔室上方，距进液腔室与测试管连接位置30mm-70mm处。

进一步的讲，管路中用电装置循环、电磁流量计、微压变送器、搅拌装置都与控制箱连接，并通过控制箱控制用电，电磁流量计通过法兰串联在管路中，通过控制箱内变频器控制泵上的电机来改变泵的频率，进而改变流量，电磁流量计实时读取流量；微差压变送器与测试段通过细软管相连，搅拌装置安装在储液箱内部通过电机带动搅拌器转动。

进一步的讲，搅拌器为电动搅拌器，主要部件是叶轮叶轮片和小型电机。

进一步的讲，所述进液腔室内部隔开三个独立的小分液腔室1#、2#、3#，出液腔室内部隔开三个独立的小分液腔室1”、2”、3”；三个对应的进小分液腔室和出小分液腔室通过三种不同管径的不锈钢管道依次并列连接，不锈钢管道靠近进小分液腔室和出小分液腔室的一段均设置有截止阀。

本发明的有益效果是：本发明通过安装在管路入口的内齿型扰动装置的扰动作用，改变了进入圆管内的初始雷诺数，进而对入口溶液的流动的状态产生一定的影响。加快了溶液从层流向湍流的转变；缩短了过渡区雷诺数的范围；降低了充分发展湍流段的长度；缩短了实验时间；提高了实验效率；降低了对实验室场地的要求；为以后的减阻实验提供了一个较为便捷的方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为一种表面活性剂溶液的减阻特性实验装置示意图。

图2为进、出分液腔室与测试段连接示意图。

图3为进液管与进分液腔室连接示意图。

图4为出液管与出分液腔室连接示意图。

图5为测试段中内齿型扰流器的安装示意图。

图6为水的摩擦阻力系数变化曲线图。

图7为摩擦阻力系数变化曲线图。

图8为17℃时减阻率曲线图。

其中：1.储液箱、2.搅拌器、3.测试段、4.内齿型扰流器、5.进液腔室、6.出液腔室、7.出液管、8.进液管、9.循环泵、10.滤网、11.排沫阀、12.微差压变送器、13.电磁流量计。

具体实施方式

参照图1，一种降低圆管发展湍流段的减阻实验装置包括：储液箱1，设置在储液箱1中的搅拌器2，测试段3，测试段入口处的内齿型扰流器4，连通测试段3入口的进液腔室5，连通测试段3出口的出液腔室6，连通出液腔室6和储液箱1的出液管7，连通储液箱1和进液腔室5的进液管8，以及设置在进液管8上的循环泵9；其中，进液腔室5和出液腔室6均为方形腔室；测试段3的入口部分为渐缩流道，测试段3的出口部分伸入出液腔室6，并且为渐扩流道；进液腔室5的中间设置有滤网10，其上方设置有排沫阀11；循环泵9为离心泵。本实验装置的数据处理单元主要包括：设置在测试段上的微差压变送器12、检测进液管流量的电磁流量计13，采集压力变化和流量等数据。其中电磁流量计13通过法兰直接与管路连接，通过变频器控制电机来改变泵的频率，进而改变流量，流量计可以实时读取流量。差压变送器与测试管中相距1.2m的两个测压孔通过细软管相连，第二个测压孔位置距出液腔室300mm，通过差压变送器可以读取压降。

参照图2，进行实验时，通过阀门可以使单独的实验腔室不受另外两个分液腔室的影响，同时可以减少更换管径的程序，减少对实验精度的影响。所述进液腔室内部隔开三个独立的小分液腔室1#、2#、3#，出液腔室内部隔开三个独立的小分液腔室1#、2#、3#和1”、2”、3”；三个对应的进小分液腔室和出小分液腔室通过三种不同管径（25mm、40mm、65mm）的不锈钢管道依次并列连接，不锈钢管道靠近进小分液腔室和出小分液腔室的一段均设置有截止阀。对应的进、出分液腔室的空间尺寸根据所连不锈钢管直径来定。对于25mm的不锈钢管连接的进、出分液腔室长度相对小，对于40mm、65mm的不锈钢管连接的进、出分液腔室长度依次变大。其整体进、出液分腔室的宽度和高度保持一致。为保证溶液提前达到完全湍流状态，进而降低发展的长度，特此在进液腔室与测试管的连接处安装一扰动装置-内齿型扰流器使溶液流经内齿型扰流器后的流动状态发生一定的变化。在此基础上设计的测试段长度为4.3m。内齿型扰流器的扰动效应通过调整流通面积与阻塞面积的比值还有内部齿状的大小来实现，内齿型扰流器的外部轮廓可根据流体流动的流体在经过内齿型扰流器时，其外层的层流流动状态首先发生改变，随着流体继续流动，内外层流体整体会加快向湍流的转变。其具体内齿型扰流器的设计外径和测试管外径相同。内部齿状设计数大于等于4。内齿状扰流器为铝制材料，其厚度为2mm。

本发明的工作原理就是表面活性剂溶液通过安装在管路入口的内齿型扰动装置的扰动作用，改变了进入圆管内的初始雷诺数，进而对入口溶液的流动的状态产生一定的影响。再结合一定长度的测试管进一步决定了溶液湍流的发展状态。加快溶液从层流向湍流的转变；缩短了过渡区雷诺数的范围；降低了充分发展湍流段的长度；缩短了实验时间；提高了实验效率；降低了对实验室场地的要求；为以后的减阻实验提供了一个较为便捷的方法。

具体操作实验流程是：配置一定浓度的表面活性剂溶液并添加一定比例的补偿离子加入储水箱中，再通过储水箱内部的加热棒加热来设定不同的温度工况，接通电源使泵开始运转，同时打开与管路连接的其中一个分液腔室的阀门让流体在分液腔室内得到缓冲，待运行10分钟左右，流体完全充满进、出分液腔室后关闭电源，打开排气阀排除泡沫，静置一段时间后，再重新启动水泵，待实验装置稳定运行十分钟左右开始记录实验数据。再更换不同的温度和表面活性剂浓度工况，重复上述实验步骤收集多次实验数据后进行数据分析处理得出表面活性剂溶液的减阻率。

其中，管路中用电装置循环泵为不锈钢离心泵SBFX、电磁流量计YK-LDG-25S-M2F110PNL、微压变送器YK-305、搅拌装置都与JXF1型控制箱连接，并通过JXF1控制箱控制用电。电磁流量计通过法兰串联在管路中，通过控制箱内变频器控制泵上的电机来改变泵的频率，进而改变流量，电磁流量计实时读取流量；微差压变送器与测试段中相距1.2m的两个测压孔通过细软管相连，第一个测压孔距进液腔室2.7m,第二个测压孔位置距出液腔室0.3m.差压变送器与管路并联，搅拌装置安装在储液箱内部通过电机带动搅拌器转动。

实施例：

一种降低圆管发展湍流段的减阻实验装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：选取十六烷基三甲基氯化铵CTAC(分子式为C

步骤二：储水箱中加入配置好的溶液通过离心泵9的动力作用输送到进液管路8中，同时打开与进液管路8连接的进分液腔室5的截止阀让流体在进分液腔室内得到缓冲并充满进、出分液腔室。

步骤三：打开排沫阀排除泡沫，静置10-15分钟后，再重新启动循环泵，待装置稳定运行10-15分钟后开始记录实验数据。

步骤四：更换不同的温度和表面活性剂浓度工况，重复上述步骤一至步骤三，收集多次实验数据

步骤五：整理分析记录的流量和压降，后通过公式C

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。