黃原膠水溶液湍流減阻效果試驗(yàn)研究

尹亞敏，羅 超，孔維博，范春梅

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201；2.云南水利水電職業(yè)學(xué)院，昆明 650201；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650201）

1 背景

湍流基本特征是許多大小不等的渦體相互混摻著進(jìn)行的，他們的位置、形態(tài)、流速時(shí)刻都在發(fā)生變化。 把運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間作不規(guī)則急劇變化的現(xiàn)象稱為脈動(dòng)，湍流的運(yùn)動(dòng)具有脈動(dòng)的性質(zhì)［1］。 水流減阻，單位時(shí)間可增加泄流量， 在水利設(shè)計(jì)中可減小排水建筑物尺寸，達(dá)到減少工程量、降低投資的目的。 水流減阻技術(shù)， 既可用于增大水庫排泄需求、 城市泄洪，也可超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)特殊防護(hù)的一種措施［2］。

目前減阻方法常見有溝槽法、氣泡法、柔壁法、高聚合物添加劑法、 高分子涂層減阻和壁面振動(dòng)減阻等。高聚合物分子變形的有序性產(chǎn)生了兩種作用：一是阻礙漩渦的產(chǎn)生，從而降低漩渦的發(fā)生頻率；二是降低了已經(jīng)形成漩渦的轉(zhuǎn)動(dòng)速率［3-4］。 這兩種作用綜合起來，減小了高分子稀溶液的猝發(fā)周期，從而導(dǎo)致了湍流減阻。

減阻試驗(yàn)研究大多集中于油料和NGL、LPG的運(yùn)輸減阻效果研究。 采用高聚合物添加劑法對水力學(xué)減阻效果研究比較散件，極端降雨頻繁，對城市及河道及時(shí)泄洪要求越來越高， 對水力減阻研究是具有現(xiàn)實(shí)意義的研究方向。 本研究采用高聚合物添加劑法，減阻劑可分為水溶性和油溶性兩大類［5-6］。 試驗(yàn)材料黃原膠屬于水溶性的高分子聚合物。黃原膠由野油菜黃單胞菌發(fā)酵產(chǎn)生的多糖高分子聚合物［7］，具有成本低易獲取特點(diǎn)。

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

黃原膠水溶液配制： 將黃原膠添加劑緩慢少量加入準(zhǔn)備好的5kg的純凈水中， 同時(shí)快速攪拌均勻，配制成半濃縮液，將其倒入儲水箱中，按試驗(yàn)需求配制目標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的稀溶液， 即0.005%，0.01%，0.02%，0.023%，0.024%，0.025%，0.026%，0.027%，0.028%，0.03%。本試驗(yàn)時(shí)溶液溫度20℃左右，然后開機(jī)低速運(yùn)行0.5h，使實(shí)驗(yàn)溶液徹底稀釋均勻，開始試驗(yàn)。 沿程水頭損失的實(shí)驗(yàn)儀： 試驗(yàn)管道材質(zhì)為不銹鋼，管徑6.95mm，管長85cm。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)儀操作步驟如下：全開所有閥門，包括流量調(diào)節(jié)閥，供水閥、旁通閥?？焖訇P(guān)閉或開啟流量調(diào)節(jié)閥，重復(fù)數(shù)次，檢查實(shí)驗(yàn)管道及連通管中無汽包，全關(guān)流量調(diào)節(jié)閥，觀察測壓架讀數(shù)，液面穩(wěn)定后測壓管液面是否齊平， 若測壓管液面齊平電測儀調(diào)零，試驗(yàn)開始。

（2）壓差控制和流量的量測。本試驗(yàn)在湍流的狀況下進(jìn)行的，壓差值從電測儀上讀取。試驗(yàn)溶液按濃度0.00%，0.005%，0.01%，0.02%，0.023，0.024%，0.025%，0.026%，0.027%，0.028%，0.03%依次進(jìn)行，每種濃度均通過流量調(diào)節(jié)閥和旁通閥的開度控制壓差， 分別為100，200，300，400，500cm； 依次量測水溫和流量，流量測量采用重量體積法。

2.3 試驗(yàn)成果的計(jì)算分析

（1）糙率計(jì)算。計(jì)算沿程水頭損失的計(jì)算采用的達(dá)西-威斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式［8-9］，即：

式中 Re為雷諾數(shù)；u為流速（cm/s）；v為運(yùn)動(dòng)黏度（cm2/s）［10-11］；d為管徑（cm）；Q為流量（cm3/s）；t為溫度（℃）。

（3）ΔQ與Δn的計(jì)算。

式中 Q為添加黃原膠后的流量（cm3/s）；ΔQ為增加流量（cm3/s）；Qs為未添加黃原膠的流量（cm3/s）；n為添加黃原膠后的糙率；Δn為減少的糙率；ns為未添加黃原膠的糙率。

對照組糙率計(jì)算成果如表1，各試驗(yàn)組糙率計(jì)算成果如表2。

表1 對照組糙率計(jì)算成果

表2 各試驗(yàn)組糙率的計(jì)算成果

減阻率和流量增輸率的最大值均發(fā)生于溶液濃度為0.025%實(shí)驗(yàn)， 當(dāng)壓差在100～500cm時(shí)減阻率為18.85%～22.05%，增輸率24.71%～32.96%。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

把濃度為0.00%定為對照組， 當(dāng)溶液濃度相同時(shí)，相同濃度糙率與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線如圖1，水頭損失hf與糙率n的關(guān)系曲線如圖2；水頭損失hf與糙率變化量Δn的關(guān)系曲線如圖3；相同濃度增輸率與壓差的關(guān)系曲線如圖4；相同濃度減阻率與壓差的關(guān)系曲線如圖5。

圖1 相同濃度糙率與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖2 相同濃度hf 與n的關(guān)系曲線

圖3 相同濃度hf 與Δn的關(guān)系

圖4 相同濃度增輸率與壓差的關(guān)系曲線

圖5 相同濃度減阻率與壓差的關(guān)系曲線

3.1 黃原膠濃度對雷諾數(shù)的影響

雷諾數(shù)是判別層流和湍流的重要標(biāo)準(zhǔn)， 其公稱值為2320。 試驗(yàn)表明當(dāng)雷諾數(shù)小于10000時(shí)，黃原膠的減阻效果不明顯，是由于管徑較小（0.695cm），在湍流中， 緊靠固定邊界附近的地方， 因脈動(dòng)流速很小，由脈動(dòng)流速產(chǎn)生的附加切應(yīng)力也很小，而流速梯度卻很大，所以黏滯切應(yīng)力起主導(dǎo)作用，其流態(tài)基本屬于層流［12］；當(dāng)雷諾數(shù)大于15000時(shí)，管道中完全形成湍流，減阻效果明顯［13］。

試驗(yàn)結(jié)果表明：①從表2和圖1可看出，當(dāng)溫度保持恒定時(shí)，溶液濃度相同時(shí)，雷諾數(shù)隨壓差增加而增大，當(dāng)溶液濃度在0.025%，雷諾數(shù)到達(dá)最大值；②當(dāng)溫度保持恒定時(shí)，溶液濃度在0.005～0.025%時(shí)，雷諾數(shù)隨濃度增加呈增加趨勢； 溶液濃度在0.025～0.030%時(shí)，雷諾數(shù)隨溶液濃度增加呈減小趨勢。

3.2 黃原膠濃度對減阻的影響

（1）從表2和圖2可看出，同一濃度情況下，糙率系數(shù)n隨沿程水頭損失hf的增加而減小， 其中濃度為0.025%，糙率系數(shù)值n最小。

（2）從表2和圖2可看出，同一濃度情況下，除個(gè)別點(diǎn)外， 糙率系數(shù)Δn隨沿程水頭損失hf的增加而增加。 其中當(dāng)液濃度為0.025%，糙率系數(shù)的變化量Δn是最大的。

（3） 從表3可看出黃原膠溶液濃度在0.005%～0.025%區(qū)間內(nèi)逐漸增加時(shí)， 減阻率δ和增輸率κ逐漸增加；濃度在0.025%～0.030%間增加時(shí)，減阻率δ和增輸率K是逐漸下降；當(dāng)濃度為0.025%時(shí)，減阻率δ和增輸率K均為最大值； 由此得出濃度為0.02%～0.03%時(shí)，阻效果相對較理想。

表3 減阻率、增輸率計(jì)算成果

3.3 壓差對減阻的影響

從表2和圖3可看出，試驗(yàn)結(jié)果表明：①在壓差hf（水頭損失）不變時(shí)，濃度在0.005%～0.025%時(shí)，隨著濃度的逐漸增大，雷諾數(shù)逐漸增加，流量逐漸增大，糙率系數(shù)n逐漸減小， 且減小趨勢較強(qiáng)； 濃度在0.025%～0.03%時(shí)，隨著濃度逐漸增大，雷諾數(shù)逐漸減小，流量逐漸減小，糙率系數(shù)n逐漸減小，但減小趨勢變?nèi)酢?②當(dāng)壓差hf（50～500cm）逐漸增大，且濃度在0.005%～0.025%時(shí)，隨著濃度逐漸增大，雷諾數(shù)逐漸增加，流量增大，糙率n逐漸減小，且趨勢逐漸加強(qiáng)；當(dāng)濃度在0.025%～0.03%時(shí)，隨著濃度增大，雷諾數(shù)減小，流量減小，糙率n減小，且趨勢逐漸減弱。

3.4 流量對減阻的影響

從表2和圖4可看出，濃度在0.005%～0.025%逐漸增加時(shí)，管道中的輸水能力逐漸增大，增輸率ΔQ逐漸增大，其中濃度為0.025%時(shí)，增輸率最大；從表2可看出，濃度在0.025%～0.030%區(qū)間逐漸增加時(shí)，管道中的輸水能力相對對于參照組來說是增加的， 但增輸率ΔQ逐漸減小；同一濃度時(shí)，隨著壓差增加，流量也出現(xiàn)增加趨勢。

3.5 流速對減阻的影響

從表2和圖5可看出，濃度在0.005%～0.025%之間逐漸增加時(shí)， 管道中的輸水能力逐漸增大， 增輸率ΔQ逐漸增大，流速呈增加趨勢，其中濃度為0.025%時(shí)，增輸率最大，流速也增到最大；從表2可看出濃度在0.025%～0.030%間逐漸增加時(shí)，管道中的輸水能力相對對于參照組來說是增加的，但增輸率ΔQ逐漸減小，流速呈下降趨勢；同一濃度時(shí)，隨著壓差增加，流速也出現(xiàn)增加趨勢。

4 結(jié)語

（1）不同濃度黃原膠水溶液，運(yùn)用沿程水頭損失實(shí)驗(yàn)儀，通過對壓差的控制，使水流進(jìn)入湍流狀態(tài)，量測流量和水溫。通過分析計(jì)算得出，黃原膠水溶液具有減阻功能，當(dāng)黃原膠水溶液濃度為0.02%～0.03%時(shí)，黃原膠水溶液減阻效果相對較為理想，當(dāng)水溶液濃度為0.025%時(shí)，減阻率δ和增輸率κ均出現(xiàn)最大值，流速、雷諾數(shù)也到達(dá)最大值。

（2）相關(guān)研究表明，黃原膠水溶液的減阻存在明顯的管徑效應(yīng)， 試驗(yàn)僅在單一管徑下分析不同濃度黃原膠水溶液減阻效果， 試驗(yàn)結(jié)論具有一定的局限性， 下一步需對不同管徑不同濃度的情況進(jìn)行組合分析，進(jìn)一步探索黃原膠水溶液的減阻效果。