高分子聚合物的湍流減阻機(jī)理

柳岳雄

摘要：高分子聚合物，基于鏈重復(fù)連接而成，其高分子量的數(shù)量級(jí)別可以達(dá)到10～106，人們利用高分子聚合物的歷史非常久遠(yuǎn)，目前在石油開采輸送，抽水灌溉，循環(huán)水利用等各個(gè)方面，都廣泛的使用了湍流不息減阻效應(yīng)。文章希望能夠?qū)τ阪湢畹母叻肿泳酆衔镞M(jìn)行模型的簡(jiǎn)化輸出，在了解了根據(jù)模擬結(jié)果研究高分子聚合物減阻機(jī)理之后，可以得出減少流體的湍流脈動(dòng)損失方法。

關(guān)鍵詞：高分子;聚合物;湍流減阻;機(jī)理

引言：

聚合物在發(fā)生正向扭矩作用時(shí)，發(fā)卡型漩渦的拱形頭步以及漩渦的腿部是抑制湍流漩渦進(jìn)發(fā)速率和強(qiáng)度的位置。而與此同時(shí)，聚合物如果發(fā)生了反向扭矩作用，發(fā)卡漩渦的卷曲方向有助于減少漩渦的玩去率和傾斜角度。在我國(guó)石油、天然氣事業(yè)快速發(fā)展的過(guò)程中，石油行業(yè)和化工工業(yè)要求以管道輸送石油、天然氣等。在輸送時(shí)，管道的輸出壓力和阻力成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的內(nèi)容，在湍流流動(dòng)的物體中，加入聚合物來(lái)產(chǎn)生減阻作用是比較常見的方法。

一、高分子聚合物湍流減阻的實(shí)驗(yàn)意義

高分子聚合物向湍流流體中進(jìn)行輸送，從而能夠減少管道中的阻力，在湍流流動(dòng)的管道中，其阻力的減少作用可以在實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，很多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題的機(jī)理展開了理論和實(shí)驗(yàn)的雙重研究。目前，由于高分子聚合物的這一應(yīng)用，在工業(yè)、軍事和其他民用領(lǐng)域中都得到了比較廣泛的應(yīng)用，因此研究者希望能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)，找出高分子聚合物在減少阻力過(guò)程中的應(yīng)用機(jī)理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以清晰的發(fā)現(xiàn)，具有減少阻力效果的一般是水溶性聚合物，這些聚合物常常有丙烯酰胺、聚丙乙烯等等，油溶性高分子聚合物則包括聚不飽和酸酯等。在高分子聚合物的減少阻力實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，只要將湍流流動(dòng)介質(zhì)中的鏈狀高分子聚合物加入到液體之中，其液體介質(zhì)的摩擦阻力就往往會(huì)急劇下降。通過(guò)對(duì)于石油管道的輸送實(shí)驗(yàn)可以表明， 高分子聚合物對(duì)于減少摩擦阻力的應(yīng)用效果最高可以達(dá)到65%～70%的改善率。對(duì)于高分子聚合物湍流減阻實(shí)驗(yàn)應(yīng)用可以很好的為工業(yè)及民用事業(yè)發(fā)展應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益起到良好的推動(dòng)作用。

二、高分子聚合物湍流減阻實(shí)驗(yàn)的模型

（一）聚合物的模型結(jié)構(gòu)

高分子聚合物一般是自由結(jié)合的，人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和各項(xiàng)觀察發(fā)現(xiàn)，高分子聚合物的自由結(jié)合體，往往呈現(xiàn)出珠-棒鏈狀模型結(jié)構(gòu)，高分子聚合物的簡(jiǎn)化模型，呈現(xiàn)出典型的首尾間張力矢量特征。高分子聚合物的通用結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出棒桿的中心點(diǎn)到珠子結(jié)構(gòu)的鏈中心位置呈現(xiàn)出一定的指數(shù)，而隨著張力值的變化，高分子聚合物的不同結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)范圍和旋轉(zhuǎn)角度，可以通過(guò)一定的概率密度公式表示。高分子聚合物珠與珠之間的張力平衡，一般呈現(xiàn)出彈性力、水力阻力和布朗力之間的平衡關(guān)系。研究者一般在高分子聚合物模型的模擬實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)其聚合物模型珠和珠之間的彈性力是符合胡克彈性定律的，因此，對(duì)于其張力量的變化可以以不同的方程式計(jì)算導(dǎo)出。高分子聚合物的控制方程往往表現(xiàn)出相對(duì)比較復(fù)雜的連續(xù)性方程特點(diǎn)，由于高分子聚合物在加入到湍流流體之后，在很大程度上限制了流體介質(zhì)的變化，由于在受限制的空間內(nèi)流動(dòng)，因此，其阻力發(fā)生了變化?？刂聘叻肿泳酆衔镏樽又g的速度，同時(shí)為分子鏈的初始張力給予補(bǔ)充。

以上的原理和過(guò)程，根據(jù)有效的方程式控制過(guò)程模型，總結(jié)方程式計(jì)算方法如下：

基于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母叻肿泳酆衔锿牧麂鰷u作用力

使用歷次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠推斷得出結(jié)論，在采用三維直接方式進(jìn)行數(shù)字模擬，研究高分子聚合物在湍流漩渦結(jié)構(gòu)中的具體的作用力，針對(duì)新模型的流向和空間邊界條件實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了基于二維Blasius的T-S擾動(dòng)波，其特征向量是完全可以利用壓縮線性擾動(dòng)方程來(lái)求出結(jié)論的。高分子聚合物附近如果有平板壁面的流向漩渦，那么在漩渦的誘導(dǎo)之下，很有可能產(chǎn)生低速的流量。高分子聚合物之所以發(fā)展為發(fā)卡狀的漩渦，主要是因?yàn)槠滗鰷u的流向。聚合物添加劑減阻是通過(guò)從液體內(nèi)側(cè)邊界創(chuàng)造條件，以實(shí)現(xiàn)減阻。長(zhǎng)鏈高分子聚合物添加劑能導(dǎo)致減阻的共同特點(diǎn)是：其額定分子量數(shù)量級(jí)都是高達(dá)百萬(wàn)的。學(xué)者們對(duì)于它的減阻機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。

由許多相同的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵重復(fù)連接而成的高分子量（通?？蛇_(dá)10～106）化合物。例如聚氯乙烯分子是由許多氯乙烯分子結(jié)構(gòu)單元—CH2CHCl—重復(fù)連接而成，因此—CH2CHCl—又稱為結(jié)構(gòu)單元或鏈節(jié)。由能夠形成結(jié)構(gòu)單元的小分子所組成的化合物稱為單體，是合成聚合物的原料。基于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母叻肿泳酆衔锿牧髁飨蛩俣燃皩?shí)驗(yàn)測(cè)試，可以探討得知高分子聚合物在完成減少阻力作用時(shí)，盡可能的阻止了湍流流體的迸發(fā)，在這種情況之下，如果液體的流向漩渦呈現(xiàn)出非對(duì)稱的情況和節(jié)奏，高分子聚合物在遭遇了聚合物扭矩作用的過(guò)程中較大方向的正面延展聚合物，其扭矩作用了向下方向的漩渦。大部分的湍流流體結(jié)構(gòu)中，高分子聚合物的正向延展性扭矩抑制了發(fā)卡型漩渦的形成，實(shí)現(xiàn)了減少阻力的作用，人們目前對(duì)于流動(dòng)液體的遏制規(guī)律進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)研究，希望能夠更加優(yōu)化的設(shè)置高分子聚合物的物理及化學(xué)結(jié)構(gòu)。

結(jié)論：

文章分析了高分子聚合物在湍流流體運(yùn)行中所起到的減少阻力作用，總結(jié)其減少阻力的運(yùn)行機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)，在不同的情況之下高分子聚合物的減阻。高分子聚合物將會(huì)產(chǎn)生反向的扭矩，原理是有所不同的：在與流動(dòng)的流體共同作用的過(guò)程中，為了抑制發(fā)卡狀漩渦的形成，可以控制其速度，減少漩渦的數(shù)量。而如果是高分子聚合物的反向扭矩作用，已經(jīng)出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)式的發(fā)卡型川流流體，漩渦之中，那么，為了使其流速變得更為緩慢，就應(yīng)該充分的利用高分子聚合物的發(fā)卡式漩渦連貫張力和應(yīng)力。

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