不同質(zhì)量分數(shù)NaCl和溫度對黃原膠減阻特性影響的試驗研究

林玉瑩，徐晟軒，趙文斌，李明義，李昌烽

(江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

黃原膠(XG)又稱黃膠、漢生膠，是一種天然多糖和重要的生物高聚物.從化學(xué)結(jié)構(gòu)來看，黃原膠是由D—葡萄糖、D—甘露糖、D—葡萄糖醛酸、乙酸和丙酸組成的“五糖重復(fù)單元”聚合而成的生物高分子聚合物，相對分子量[1]在2.0×106～5.0×107，屬剛性聚合物.由于相對分子量較大，分子鏈具有長直鏈的特點，并且主鏈上帶有少量較大的側(cè)鏈，這些結(jié)構(gòu)特性使其在去離子水和離子溶液中都表現(xiàn)出較好的剪切穩(wěn)定性，是一種很好的減阻劑.

將少量高分子聚合物添加到湍流流體中發(fā)生阻力明顯減少的現(xiàn)象被稱作“Toms 效應(yīng)”[2]，隨后，該現(xiàn)象吸引了眾多學(xué)者對高分子減阻技術(shù)的廣泛研究.發(fā)現(xiàn)在減阻劑的實際使用中(如原油開采、城市排澇泄洪等)，NaCl總是不可避免的存在，其能改變黃原膠的分子構(gòu)象，造成減阻效果的差異.早期研究中，KAMEL等[3]研究了溫度和溶劑NaCl質(zhì)量分數(shù)對具有2種分子量的陰離子聚丙烯酰胺在直圓管中的減阻性能影響.WYATT等[4]通過試驗研究了黃原膠溶液在不同溶劑環(huán)境中的均質(zhì)減阻和非均質(zhì)減阻的特性區(qū)別.HONG等[5]采用轉(zhuǎn)盤裝置研究了0，0.01，0.10 mol/L的KCl對黃原膠溶液質(zhì)量分數(shù)(0～0.02%)的減阻率和抗剪切特性的影響，發(fā)現(xiàn)KCl能顯著降低XG溶液的減阻率.ANDRADE等[6]在旋轉(zhuǎn)圓柱雙間隙裝置內(nèi)研究了質(zhì)量分數(shù)、雷諾數(shù)、NaCl質(zhì)量分數(shù)3種因素對聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺和黃原膠溶液減阻性能的影響，發(fā)現(xiàn)NaCl的存在會降低聚氧化乙烯和黃原膠的最大減阻率，對聚丙烯酰胺溶液的最大減阻率影響并不明顯.HABIBPOUR等[7]在鋼管中研究了黃原膠和陰離子聚丙烯酰胺混合溶液在2%KCl條件下的減阻性能，發(fā)現(xiàn)二元溶液中黃原膠的存在明顯降低了NaCl對陰離子聚丙烯酰胺分子的負面影響.袁益超等[8]將拉伸高分子自洽的線性等效黏度模型應(yīng)用于Navier-Stokes方程，對湍流減阻多級轉(zhuǎn)換特性及湍流特性進行了數(shù)值分析研究.關(guān)于XG/NaCl溶液減阻特性的研究中缺乏對NaCl質(zhì)量分數(shù)的細致區(qū)分，且試驗裝置基本均使用轉(zhuǎn)盤裝置.WYATT等[9]使用了圓管進行試驗，但NaCl質(zhì)量分數(shù)卻相對單一，缺乏對比.

文中采用直徑為20 mm的水平光滑圓管，對不同質(zhì)量分數(shù)NaCl黃原膠溶液進行減阻特性試驗，主要研究黃原膠溶液的NaCl效應(yīng)、溫度效應(yīng)和NaCl對溶液減阻類型的影響.

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗在團隊自行搭建的湍流減阻試驗臺[10]上進行，如圖1所示.其中管道AE段為有機玻璃管，管徑20 mm.BC段為壓差測量段，長2.0 m.AB段為發(fā)展段，長2.8 m，根據(jù)WHITE[11]提出的經(jīng)驗公式，在壓力測量點B之前，AB段的長度應(yīng)滿足不小于138倍管徑的長度，2.8 m的發(fā)展段滿足試驗管道克服湍流流動入口效應(yīng)要求.

圖1 減阻特性試驗裝置原理圖Fig.1 Schematic of drag reduction characteristic experimental rig

試驗采用TOP301S差壓變送器測量測試段BC兩端的壓降水頭，其測量精度可達0.25%；采用體積法與電磁流量計2種方式測量流量，體積法測量流量的精度為0.22%，電磁流量計的測量精度為0.10%；以變頻器調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速，并配合布置在各管道上的閥門控制管道流速；在儲液箱和測量槽位置采用溫度計測量溶液溫度，試驗過程中溶液溫度波動可控制在±1 ℃內(nèi)；最終造成阻力系數(shù)的最大相對誤差為0.44%，減阻率的相對誤差為0.85%.

1.2 溶液配制

黃原膠采用淄博中軒生化有限公司生產(chǎn)的商業(yè)食品級產(chǎn)品，試驗溶劑為自來水.首先按試驗方案配制母液1%并攪拌均勻，靜置24 h以保證黃原膠充分溶解于水.對于黃原膠水溶液，將母液加入儲液箱，然后用自來水稀釋充分攪拌，靜置20 h確保試驗時母液與水混合均勻；由于極濃的黃原膠母液呈電中性，構(gòu)象本質(zhì)上與靜電作用無關(guān)，NaCl很難與黃原膠分子結(jié)合[12].因此對于含NaCl溶液的配制，在母液加入儲液箱用自來水稀釋、攪拌并靜置8 h后，加入所需相應(yīng)質(zhì)量分數(shù)的NaCl，隨后再次靜置12 h，確保NaCl與黃原膠分子充分融合，用于試驗.此外，考慮到離心泵葉片對高分子鏈長時間的剪切會造成對分子鏈的破壞，從而降低減阻效果，因此所有溶液不重復(fù)使用，每次試驗約2 h.

1.3 試驗方法

試驗主要控制參數(shù)有:① 試驗管道直徑：20 mm；② 黃原膠質(zhì)量分數(shù)為0.01%～0.06%，NaCl質(zhì)量分數(shù)為0～0.1%；③ 流速及雷諾數(shù)；④ 試驗水溫：10 ℃和20 ℃.

試驗過程中需測量體積流量Q及點B,C的壓降水頭Δh.

減阻試驗流速采用流動雷諾數(shù)Re的計算式為

(1)

式中：U為管道斷面的平均流速，m/s；D為管徑，m；v為溶劑的運動黏度，m2/s.

圓管流動中流體流動的沿程阻力系數(shù)λ計算公式為

(2)

式中：l為試驗管段管長，m；g為重力加速度，m/s2.

同一雷諾數(shù)下，減阻率DR的計算公式為

(3)

式中：λw為清水圓管流動的沿程阻力系數(shù).

2 試驗結(jié)果分析

2.1 NaCl質(zhì)量分數(shù)效應(yīng)

為研究不同質(zhì)量分數(shù)NaCl對黃原膠溶液減阻性能的影響，在黃原膠稀溶液質(zhì)量分數(shù)(0.01%～0.02%)和濃溶液質(zhì)量分數(shù)(0.05%～0.06%)內(nèi)進行XG/NaCl溶液減阻特性試驗，得到XG/NaCl溶液的減阻率DR隨Re數(shù)的變化，結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)黃原膠溶液在不同質(zhì)量分數(shù)NaCl下減阻率隨Re數(shù)變化的曲線對比Fig.2 Comparison of curves of drag reduction vs. Re number for different concentrations XG solution at different concentrations of NaCl

從圖2a,2b中可以看出：在較高Re數(shù)流動中隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加黃原膠溶液的飽和減阻率降低，但在低Re數(shù)流動中表現(xiàn)出不同的趨勢.對于0.01%黃原膠溶液，當(dāng)Re數(shù)小于10 000時XG/NaCl溶液的減阻率更高，隨著Re數(shù)的升高XG/NaCl溶液減阻率上升較緩，只有當(dāng)Re數(shù)大于20 000時其減阻率才低于黃原膠水溶液.在NaCl質(zhì)量分數(shù)為0.10%時溶液減阻率隨Re數(shù)的變化很小，表現(xiàn)出與Re數(shù)很低的相關(guān)性.對于0.02%的黃原膠溶液，XG/NaCl溶液減阻率在Re數(shù)為25 000后才低于水溶液.此外，還發(fā)現(xiàn)NaCl的加入導(dǎo)致XG/NaCl溶液達到穩(wěn)定減阻率的Re數(shù)大幅提前.黃原膠水溶液減阻率達到穩(wěn)定均在Re數(shù)大于45 000之后發(fā)生；而0.10% NaCl的加入導(dǎo)致0.01%黃原膠溶液在Re數(shù)約為25 000便達到穩(wěn)定.另外，從圖2c,2d中可以發(fā)現(xiàn)，相對于黃原膠稀溶液，NaCl分子對0.05%和0.06%兩種濃溶液減阻率隨Re數(shù)變化的影響均較小，在試驗的Re數(shù)內(nèi)含NaCl溶液曲線均略高于水溶液曲線.2種質(zhì)量分數(shù)的黃原膠溶液在低Re數(shù)下含NaCl溶液的減阻起始點大致相同，對比水溶液也僅略有前移；而在高Re數(shù)下NaCl的加入確實能增加0.05%和0.06%飽和溶液的減阻率，但不同NaCl質(zhì)量分數(shù)的XG/NaCl溶液最終的飽和減阻率的差異較小.

2.2 NaCl對減阻類型的影響

依據(jù)不同的減阻特性把高分子減阻劑分為A型和B型減阻，A型和B型減阻中的阻力系數(shù)變化特性[13]如圖3所示.圖中L為牛頓流體層流流動特性曲線,N為牛頓流體湍流流動特性曲線，M為最大減阻漸近線.A型減阻的特點是與N線有一個交點，即減阻起始點O；B型減阻的特點是在低雷諾數(shù)下沒有減阻起始點特征，高雷諾數(shù)下阻力系數(shù)曲線基本平行于N線.

圖3 A型和B型減阻特性示意圖Fig.3 Scheme of friction law for type A and B drag reductions

為探究NaCl對黃原膠溶液減阻類型的影響，比較XG水溶液和所選取的XG/NaCl (CNaCl=0.10%)溶液試驗數(shù)據(jù)，繪制了不同質(zhì)量分數(shù)黃原膠溶液的減阻類型特征，如圖4所示.從圖4a中可以看出，在水溶液中，低質(zhì)量分數(shù)0.01%的黃原膠溶液大致遵循B型減阻類型，其摩擦阻力系數(shù)曲線始終平行于N線.當(dāng)溶液質(zhì)量分數(shù)大于或等于0.02%時，其摩擦阻力系數(shù)曲線開始在低雷諾數(shù)下平行于L線與N線相交且交點隨著質(zhì)量分數(shù)的上升逐漸后移；隨后在高雷諾數(shù)下平行于N線，即黃原膠溶液的流動減阻特征實現(xiàn)了從低Re數(shù)下A型到高Re數(shù)下B型的轉(zhuǎn)換.在0.10% NaCl條件下溶液減阻類型可見圖4b.與水溶液相似，當(dāng)溶液質(zhì)量分數(shù)大于或等于0.03%時同樣具有從低Re數(shù)下A型到高Re數(shù)下B型的轉(zhuǎn)換特征；當(dāng)質(zhì)量分數(shù)低于0.03%時大致遵循B型減阻類型.

圖4 黃原膠溶液在2種NaCl質(zhì)量分數(shù)下的減阻類型曲線

Fig.4 Drag reduction type curves of XG solution at two NaCl concentrations

這種現(xiàn)象與GASLJEVIC等[14]的試驗結(jié)果一致，即黃原膠溶液的流動減阻特征可以從低Re數(shù)下的A型減阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦逺e數(shù)下的B型減阻.這是由于黃原膠分子中的官能團較多，彼此極易直接相互接觸，通過氫鍵、靜電力以及非極性共價鍵相互纏繞、聚集成一種無規(guī)則、雜亂卷曲的大分子線團.因此需要一個相對較大的壁面剪應(yīng)力才能完成相應(yīng)的拉伸和變形.當(dāng)Re數(shù)足夠大時，聚集的大分子線團被充分拉伸至極限，此時溶液摩擦阻力系數(shù)曲線又平行于N線，其減阻率也不再升高.

為了更清楚地進行分析，對0.02%和0.05%黃原膠水溶液和NaCl(0.10%)溶液下的減阻類型逐一進行對比，如圖5所示.可以看出，NaCl的加入對低質(zhì)量分數(shù)的黃原膠溶液有較大影響，0.02%黃原膠溶液最終完全轉(zhuǎn)化為了B型減阻類型，即便在低雷諾數(shù)下摩擦阻力系數(shù)曲線也平行于N線，隨雷諾數(shù)的升高與N線始終平行.NaCl的加入導(dǎo)致黃原膠分子中的靜電力得到了中和，使兩條分子鏈更容易結(jié)合，通過鹽橋使單螺旋結(jié)構(gòu)幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)殡p螺旋結(jié)構(gòu)[15]，溶液中分子鏈的質(zhì)量分數(shù)下降，復(fù)合的二級結(jié)構(gòu)也由此產(chǎn)生了解體，無規(guī)則、雜亂的卷曲的大分子線團出現(xiàn)破碎的現(xiàn)象，僅存在單獨的雙螺旋黃原膠分子與流動耦合.因此NaCl能促進0.02%的XG/NaCl溶液在大管徑中完全轉(zhuǎn)化為B型減阻.

圖5 2種質(zhì)量分數(shù)黃原膠NaCl/水溶液減阻類型對比Fig.5 Comparison of drag reduction types of XG NaCl/aqueous solution at different concentrations

對于0.05%黃原膠濃溶液NaCl的影響甚微，其摩阻曲線幾乎完全重合，在低雷諾數(shù)下平行于L線，隨著Re數(shù)的增長逐漸平行于N線，具有在低Re數(shù)下A型轉(zhuǎn)變?yōu)楦逺e數(shù)下B型的特征.濃溶液中黃原膠分子出現(xiàn)聚集和纏結(jié)，通過共價鍵形成致密的網(wǎng)狀超級大分子團，抑制了解體現(xiàn)象，有效地保護了構(gòu)象的穩(wěn)定.

2.3 溫度效應(yīng)

為研究溫度變化對黃原膠減阻特性的影響，在10 ℃和20 ℃下測量了各質(zhì)量分數(shù)黃原膠溶液沿程阻力系數(shù)λ隨Re數(shù)之間變化關(guān)系，試驗結(jié)果如圖6所示.

圖6 10 ℃和20 ℃下溶液λ-Re曲線Fig.6 λ-Re curves of solution at 10 ℃ and 20 ℃

對比圖6a,6b，可以發(fā)現(xiàn)黃原膠溶液在不同溫度下減阻特性的區(qū)別主要體現(xiàn)在低雷諾數(shù)段，即減阻的起始，黃原膠溶液在低溫(10 ℃)下的減阻起始雷諾數(shù)明顯高于高溫(20 ℃)下的減阻起始雷諾數(shù).2種溫度下隨著雷諾數(shù)的增大，黃原膠溶液沿程阻力系數(shù)λ均逐漸趨于穩(wěn)定，平行于N線.選擇將0.02%，0.04%，0.06%這3種質(zhì)量分數(shù)溶液在2種溫度下的λ-Re曲線共同繪于一張圖中，如圖7所示.

圖7 2種溫度下0.02%，0.04%，0.06%溶液λ-Re曲線對比

Fig.7 Comparison of λ-Re curves of 0.02%,0.04% and 0.06% solutions at different temperatures

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)：在高Re數(shù)下，溶液減阻特性對溫度變化的影響較為穩(wěn)定，兩者曲線重合度較高，并沒有明顯的區(qū)別.在低Re數(shù)下，3種質(zhì)量分數(shù)溶液受溫度變化的影響均較為顯著，溫度越高，沿程阻力系數(shù)λ越低，越接近V線，表現(xiàn)出更好的減阻效果.通過2種溫度下黃原膠溶液減阻特性曲線的對比，在高溫下黃原膠溶液的沿程阻力系數(shù)穩(wěn)定較快，溶液的阻力系數(shù)平行于N線所需的雷諾數(shù)也越小.在高溫下，黃原膠分子鏈較為伸展，分子構(gòu)象相對無序，在雷諾數(shù)較低時能與流動更好地耦合.但隨著Re數(shù)的增大剪切強度增強，黃原膠分子本身被高度拉伸，活化能的絕對值也隨剪切速率增大而降低[16]，減阻效果也就無法產(chǎn)生顯著差異.

3 結(jié) 論

1) 黃原膠稀溶液范圍內(nèi)，較高雷諾數(shù)流動中隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的增加，黃原膠溶液的飽和減阻率降低，但在低Re數(shù)流動中表現(xiàn)出不同的趨勢，而且NaCl的加入導(dǎo)致黃原膠溶液達到穩(wěn)定減阻率的Re數(shù)大幅提前；黃原膠濃溶液范圍內(nèi)，NaCl的加入對黃原膠濃溶液減阻率隨雷諾數(shù)變化的影響均較小.

2) 在0.10%NaCl條件下，當(dāng)溶液質(zhì)量分數(shù)低于0.03%時大致遵循B型減阻類型；當(dāng)黃原膠溶液質(zhì)量分數(shù)大于或等于0.03%時，溶液具有從低Re數(shù)下A型減阻到高Re數(shù)下B型減阻的轉(zhuǎn)換特征.

3) 黃原膠溶液在低雷諾數(shù)下對溫度的變化較為敏感，隨著溫度的提高出現(xiàn)減阻的提前；但在高雷諾數(shù)下又逐漸趨于穩(wěn)定，在不同的溫度下均具有相近的減阻效果；同時溫度升高也有利于黃原膠溶液更早地達到穩(wěn)定.