2.2 粘性减阻的方法
2.2.1 柔顺壁减阻
分析发现,海豚和一些鱼类皮肤在海水压力下会分泌出一种油状液体,游泳时所受阻力大大降低。据此,20世纪60年代Kramer制作出“人造海豚皮”进行了柔顺壁湍流减阻试验。他仿造出 “人造海豚皮”,用密封的橡胶包裹着细长型物体做成了弹性覆盖层,并用销钉将这一层固定在物体的表面上,在外套与物体之间的空间中充填不同粘度的液体,将这样物体放在水中作拖曳运动时,与同体型同尺寸的光洁硬壳模型相比,阻力就减小了。此后,许多学者深入进行了柔顺壁减阻理论与实验研究。
2.2.2 微气泡减阻
早在18世纪人们就开始在船壳和水的边界之间注入一层空气,减小其表面摩擦力。但是,由于气液交界面的不稳定性,这种设想在实际中很难应用。微气泡减阻就是基于这种设想提出来的,它有效的避开了气液交界面的不稳定问题。
苏联、美国和日本的许多学者都采用了多孔壁面喷气的方法进行微气泡减阻试验。他们的实验结果表明,微气泡能够降低湍流边界层的表面摩擦阻力,局部阻力降幅可达80 %—90 %.但是,上述试验结果在微气泡含量、气流喷射孔孔径以及水速对减阻效果的影响方面,不仅数据不一,而且存在许多矛盾之处。国内西北工业大学的宋保维等研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响,得到了60 %左右的减阻。他们认为微气泡减阻的机理在于:位于边界层内的微气泡本身具有变形能,它把剪切力作用于流体的一部分功转为变形能而储存起来,从而减少了能量损耗,导致了减阻。
2.2.3 聚合物添加剂减阻
在牛顿流体中溶入少量长链高分子添加剂,可以大幅度的降低流体在湍流区的运动阻力,减缓湍流的发生。它最早是Toms1947年在观察管内流动聚合物机械降解时发现的,故又称Tom效应。
聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条件,以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是:其额定分子量数量级都是高达百万的。关于聚合物添加剂减阻的机理自Tom效应问世以来,国,内外学者开展了大量的研究工作。迄今为止,虽然有了不少有关聚合物添加剂减阻的论著,但现有的理论还没有一种可以圆满解释减阻的系列特征,有待于进行深入的研究。
人们重视高聚物减阻的研究,首先是因为这一技术具有很大经济价值,并有两个显著的特点:一是投入量少;二是减阻效果非常显著。所以在国防、工业、交通和消防等领域具有广泛的应用前景,特别是长距离管道输送流体,应用这一技术将大大提高运输量,或节省输送能源的消耗。其次,由于高聚物减阻与湍流密切相关,减阻机理的研究,能促进湍流理论的发展。
聚合物添加剂减阻由于方便实现,在很多领域得到了广泛的应用。尤其用在原油的输送中,可减少长输送管线的中间泵站,节约能源和设备,提高流量和缩短船只的在港停泊时间。例如美国的一条海底输油管线,直径0.356m,年输能力800万桶,添加聚合物减阻剂后,减阻率达26%,输量提高了18%,基本取消了驳船。现在世界各国几十个地区的30多条管线的原油或成品油输送使用了聚合物添加剂。此外,在医学上可以用来减少血液流动的粘性摩阻,增大血流量,以治疗冠心病。在水射流技术方面,也可采用聚合物添加剂,以提高高速水射流的出口动量、切割能力、射喷量和射程。
3、粘性减阻技术在暖通空调领域的应用
暖通空调领域无论是供热中的热水还是空调中的冷冻水、冷却水其输送都需要消耗很大比例的泵耗,因此粘性减阻技术在该领域的应用具有可观的节能效益。
粘性减阻技术在暖通空调领域应用研究在国外已有报道,而在国内研究还处于空白。鉴于输送热水及冷水管道系统的特点,合适的粘性减阻技术为聚合物添加剂减阻技术。
早在1986年丹麦已经开始开展减阻技术在供热系统热水输送中研究工作。迄今为止,丹麦成功的研制了多种可用来输送热水及冷冻水、冷却水的高分子聚合物添加剂,并且用于实际系统中。日本在这方面也开展了大量的研究工作,在很多供热、集中空调系统已经得以应用。
研究组研究的高分子添加剂用于热水及冷冻水、冷却水输送系统中可降低一半以上的泵耗(试验测试结果),目前已处于商业推广阶段。
4、结论
节约能源消耗是人类一直追求的目标。减阻技术的应用可进一步降低供热及空调水输配系统水泵的能耗,同时可以提高水输送热量(冷量)的能力有助于减少输配管网的初投资。
参考文献
(1)Jiri Myska, Vaclav Mik. Energy and buiding, 2003, 35: 813—819.
(2)田军,徐锦芬,薛群基。 实验力学,1997,12(2):198—203.
(3)陈学生,陈在礼,陈维山。 高技术通讯,2000,12:91—95.
责任编辑:xiaohan