高聚物减阻机理的研究综述
页岩储层压裂减阻剂减阻机理研究
页岩储层压裂减阻剂减阻机理研究页岩气是指储存在页岩中天然气，而页岩储层压裂技术是目前开采页岩气的主要方式之一。
由于页岩储层矿物质组成复杂，存储天然气密度高等特点，导致压裂难度较大，需要在压裂过程中添加一定的减阻剂以便提高压裂液的渗透性和流动性，最终实现提高天然气产量和经济效益。
减阻剂是压裂液中的一种特殊添加剂，充分利用其高分子多糖的高黏度优势，增加液体粘度，防止压裂液在压力作用下提前流入有裂缝分支的岩层孔隙中，从而减少其流失到非压裂目标层并维持压裂效应。
但减阻剂的具体机理仍未得到完全的解释，研究其机理将对优化压裂技术和提高天然气产出率起到重要作用。
减阻剂能够在压裂液中起到的主要作用有：液体黏度的增加、分散压裂液颗粒物和抑制垂直井壁滑脱现象。
其中，黏度增加是最重要的机理之一。
减阻剂中的高分子多糖和压裂液中的其他添加剂经由化学反应将其产生的微泡聚合，使液相粘度增大，从而减少粘性降低所带来的阻力，塑性剪切不平滑效应也随之发生减小。
减小的阻力和胶结性提高了压裂液的渗透性和流动性，有利于压裂液在井壁缝隙中弥散、扩散和渗透，增大液相分布范围，形成更多、更稳定的裂缝结构，最终提高天然气产量。
分散压裂液颗粒物也是减阻剂起到的重要作用。
压裂液中的水和颗粒物成分会在压力作用下向裂缝发展方向流动，会导致压裂片断或断裂。
减阻剂能够通过防止压裂液在深度方向上流动而减少悬挂的颗粒物，从而避免不同层位上物质的界面引起的剪切应力，减轻液流速度对裂缝的破坏作用，从而减少因颗粒物悬浮而形成的流体阻力，最终提高压裂液在岩石中渗透的动态性，增加页岩储层的效率。
抑制井壁滑脱现象是减阻剂起到的另一个机理。
压裂液在井壁接触处的落差和方向变化会产生切割作用和摩擦作用，导致井壁和裂缝的摩擦系数较高，从而影响压裂液渗透的效果，造成压裂效果不佳。
减阻剂通过增加液体粘度，降低入井速率，减少井壁上的切割作用和摩擦作用，从而防止井壁滑落，减小井壁与岩石之间的相对速度，最终减少在井壁和没有被加压的天然气层中的切割、摩擦和其他机械应力的效应。
井下钻柱震动减阻理论与技术发展现状
井下钻柱震动减阻理论与技术发展现状随着我国开采水平的提升，水平井、大斜度井已经被广泛的应用在开采过程当中，钻柱与井壁之间，由于摩擦阻力会大，会产生拖压的现象，偶尔会产生无法施加转速，影响机械转速，甚至造成井下事故的现象。
所以井下钻柱震动减阻理论的发展以及技术的革新会朝着减少转矩与井壁之间的摩擦阻力为方向进行发展。
基于此，下文从井下钻柱震动减阻理论的现状分析入手，为其技术发展提供几点思考。
标签：钻柱震动;减阻理论;技术;现状模组问题目前是各种复杂的钻井作业中最为凸显的一种问题，它尤其是体现在滑动的钻井过程当中会造成脱粘、粘阻非常严重，而且模组和大扭矩的存在会使得钻柱发生曲转，无法传递到钻头，延伸自动停止，钻井工作很难推进下去，甚至会出现一些安全事故。
所以在一定程度上，井下模组产生的原因是多元的，而且它带来的危害是极大的。
而对钻柱震动减阻理论进行研究，无疑是为提高更好的钻柱技术水平服务的，它对开采技术的革新有一定的推动作用。
1.井下钻柱震动减阻理论的研究现状1.1钻柱震动减阻原理钻柱震动减阻，主要是靠震动工具引起钻柱的震动，从而改变柱受力的情况而改变摩擦力的类型，将静摩擦力改为动摩擦力的过程，使动摩擦的系数小于静摩擦的系数，会在一定程度上减少钻柱所受到的阻力，从而提高震压的传递效率，也就是提高了钻柱的速度，进而为井眼长度延伸做了准备。
钻柱震动可以通过改变中受力的状态，可以通過叠加的原理，使钻柱所受到的震动叠加到钻柱入井的速度当中，即改变注入井的平均速度。
假设震动的变化是按正弦曲线的变化规律为基准的，就会得出一个钻柱入井的速度和震动幅度值之间的一个函数关系。
结合函数关系就可以推断出，钻柱弹性作用的运动方向、周期与震动部分的分量是相反的，它可以有效的将摩擦阻力减少。
例如通过计算发现，如果入口的速度值达到1/2的时候摩擦力几乎减少为原来的70%左右。
通过这个原理就可以建立起入口速度和摩擦力之间的关系。
这也是，钻柱震动减阻研究的原始形式，它是假设摩擦力和运动速度无关的基础之上的。
减阻、降粘、防蜡
油溶性减阻剂的研究与应用概述
此后几十年，世界上许多国家都进行了对减阻剂的 科研与应用实践，处于领先地位的有美国CONOCO
公司、Baker Hunghes公司，这些公司使得减阻剂
研发技术得到迅速发展，开发出了性能好、成本低 的减阻剂产品。
油溶性减阻剂的研究与应用概述
尤其是CONOCO公司，该公司的减阻剂产品从
油溶性减阻剂的特点
总之，油溶性高分子聚合物减阻剂在很小的用量 下就可以达到和好的效果，例如， CONOCO公司
的CDR102油相减阻剂在添加0.00005（wt）%时，
就可有9%的减阻率（平均流速2.5m/s，管内径 25mm，介质：0号柴油）。添加0.0001（wt）% 即能达到50%的减阻效率，因此在管道运输行业 中被普遍应用。
3、油溶性减阻剂的研究与应用概述
减阻剂的产生：降低摩阻，提高输量，快速缓 解产量与管线输油能力不足之间的矛盾，加速 原油的开发与利用 。 1972年诞生了第一个减阻剂的专利。1979年是 一个转折点，美国CONOCO公司生产的CDR减 阻剂在进行了大量的试验后，正式工业化生产 并应用于横贯阿拉斯加的原油管道上，揭开了 管道运输应用减阻剂的序幕。
称之为原油本体分散减阻，所用的活性剂称之
原油分散剂(dispersant)。
降粘
还有一类减阻剂称之为降摩阻剂(frictional reducer)。 降摩阻剂与降粘剂不同之处在于： 降摩阻剂一般不掺水或掺少量水(5%～10%)， 它通过改变原油和介质表面的作用力，进而减 小原油的流动阻力。而乳化降粘一般掺水为 30%左右，通过改变原油乳状液的类型，使其 转变为以水为连续相，油为分散相的水包油的 乳状液，进而降低在原油在流动过程中的阻力。 如果条件允许，可以掺稀油（轻油）输送稠油。
减阻剂研究概述
人工智能、大数据等智能化技术有望在减阻剂性 能预测、优化设计等方面发挥重要作用，提高研 究效率和应用水平。
06
结论与建议
研究成果总结
01
减阻剂能有效降低流体在管道中的摩擦阻力，提高流体的输送效率。
02
不同类型的减阻剂在不同流体和管道条件下具有不同的减阻效果，需 要根据实际情况进行选择。
复合型减阻剂
将不同类型减阻剂进行复合，发挥各自优势，提高综 合减阻效果。
03
减阻机理与方法
边界层控制理论
边界层概念
在流体与固体壁面之间形成的薄层，其中流体速度从零逐渐增加 到主流速度。
边界层分离
当边界层内的流体受到逆压梯度作用时，流体会从壁面分离，形成 涡旋和阻力。
减阻方法
通过改变边界层内的流动状态，如增加壁面粗糙度、引入吹气或吸 气等方式，可以延缓边界层分离，从而降低阻力。
数值模拟精度有待提高
数值模拟方法虽然具有成本低、周期短等优点，但目前数值模拟精度仍有待提高，特别 是对于复杂流动和新型减阻剂的模拟预测。
未来发展趋势预测
1 2 3
新型减阻剂研发
随着材料科学和纳米技术的发展，未来有望研发 出性能更优、环境友好的新型减阻剂。
多学科交叉融合
减阻剂研究涉及流体力学、化学、材料科学等多 个学科领域，未来多学科交叉融合将成为推动减 阻剂研究发展的重要趋势。
表面活性剂减阻剂
界面活性
01
表面活性剂能降低流体与固体壁面间的界面张力，减少流动阻
力，提高流体的流动性。
吸附作用
02
表面活性剂在固体壁面上形成吸附层，改变壁面润湿性，降低
摩擦阻力。
泡沫与乳状液
03
部分表面活性剂可形成泡沫或乳状液，进一步降低流动阻力。
高聚物型减阻剂减阻性能的研究_富雯婷
收稿日期:2008-10-22;修改稿收到日期:2008-12-22。
作者简介:富雯婷(1982-),女,在读硕士研究生,主要从事油品输送的研究工作。
高聚物型减阻剂减阻性能的研究富雯婷,管 民,李惠萍,胡子昭(新疆大学化学化工学院,乌鲁木齐830008)摘要 对高聚物减阻剂的减阻性能进行研究,考察了高聚物减阻剂的相对分子质量、起始点的管壁切应力S *w 、减阻剂添加量、雷诺数及高聚物减阻剂的降解对减阻效果的影响。
根据高聚物减阻剂的摩阻系数与雷诺数关系曲线,拟合得到高聚物减阻剂的斜率增量D 。
结果表明,减阻剂的减阻率随相对分子质量的增大而提高;减阻剂的均方回转半径Rg 越大,减阻起始点要求的管壁切应力S *w 值越小,减阻效果越好;减阻剂的减阻率随添加量的增加而增大;减阻剂的斜率增量D 越大,减阻效果越好;高聚物减阻剂在一定剪切力下都会发生一定程度的降解,使减阻率下降。
关键词:高聚物 减阻剂 减阻率 雷诺数1 前 言对于石油行业,管道运输是油品运输的主要传输途径,管道运输具有投资省、能耗低、建设速度快等优点,但也存在输送量适应范围小的缺点,会导致泵站数量增加、能耗增加、成本增加等问题。
目前节能降耗已成为国家发展的基本出发点,在开发能源的同时节能降耗被放在重要位置。
如何增大石油及各种物品在长距离运输过程中的运输量、减少其在过程中的运输时间和运输成本、提高效率是需要完成和改善的问题。
解决上述问题最好的方法是使用减阻剂,通过在油品管道中加入少量减阻剂,使油品的流动性质得到改善。
对于管道运输而言,油品减阻剂是一种广泛应用于原油和成品油管道输送的化学添加剂,它可方便地提高管道的输量,降低管线的压力,节约能源,提高管线运行的安全系数。
因此,使用减阻剂可使管道由/刚性0变为/弹性0,既可使管道迅速实现增输,又无须承担很大的风险,如果使用得当,其总费用完全可能低于其它增输手段。
高聚物是效果良好的油品减阻剂。
Tom s [1]首次发现高分子聚合物在紊流时的减阻现象,引起了流体力学界和高分子学界的广泛注意。
减阻剂
(1)大幅度节省新建管线建设投资。新 管线设计中一个重要的依据就是管道的 年 输量，但对管道年输量影响因素有许 多是 不确定的。如对油田储量的估测不 可能做 到十分精确，市场条件要求管道 输量的变 化及油品种类的改变等等。这 一些不确定 的因素，可根据相对经济的 数据作为设计 依据，留下一部分设计余 量，用减阻剂来平 衡这部分余量。减小 管径、压缩泵站建设规 模可大大节省新 管线的建设投资。
2 输油管道应用减阻剂后的减阻与 增输
2 ．1 减阻剂减阻与增输的含义 在管道输油过 程中加入减阻剂，可以 有两个方面的作用： (1)在原定输量不变的条件下，降低油 流摩阻， 减少管道沿程压头损失，从而降低了泵的动力消 耗，节约了能量,可以改换成 扬程较低的泵输油。 (2)在原定压力不变的条件下，由于油 流摩阻降 低，而输量增加；在多数情况下， 使用减阻剂 是为了增加管道的输量，增输 是由于减阻的作 用而实现的。
2．3 减阻剂的应用和减阻增输效果 2．3．1 输油管道适于应用减阻剂的 情况 减阻剂发展到目前阶段，多在下列情 况下， 作为一种短期的、权宜性的或特殊处 理手段 而采用： ①季节性输油任务的波动； ②暂时性的输油任务的高峰； ③根据市场需求时增加输量(这种情况 在国外 尤为多见)； ④管道超过额定输油能力，暂时来不 及扩建， 或在一定的超额范围内不准备扩 建；
1 减阻剂的减阻机理
减阻作用是—种特殊的湍流现象，减 阻 效应是减阻影响湍流场的宏观表现。它 是 一个纯物理作用。减阻剂分子与油品的 分 子不发生作用，也不影响油品的化学性 质， 而只与其流动特性密切相关。减阻剂加入到 管道以后，靠本身的粘 弹性，分子长链顺 流向自然拉伸，其微元直 接影响流体微元 的运动。来自流体微元的 径向作用力作用 在减阻剂微元上，使其发 生扭曲，旋转变 形。减阻剂分子间引力抵抗 上述作用力反 作用于流体微元，改变了流体微元作用力的 大小和方向， 使一部分径向力转变为顺流 向的轴向力， 从而减少无用功的消耗，宏 观上起到减少 摩阻损失的作用。
减阻剂的原理及应用
减阻剂的原理及应用1. 减阻剂的概述减阻剂（Flow improver）又称流动助剂、降阻剂，是一类可以降低管道内流体粘度、减小流动阻力的化学物质。
由于管道在输送石油、天然气等流体时会产生摩擦阻力，减阻剂的应用可以有效减少能量损失，提高输送效率。
本文将介绍减阻剂的原理及其应用领域。
2. 减阻剂的原理减阻剂的作用原理主要是通过改变流体的粘度、流变性质以及表面张力等关键参数来减小流体在管道中的阻力。
具体原理如下：•粘度调节：减阻剂能够改变流体的黏度，使其更易流动。
一般来说，减阻剂可以降低流体内分子之间的黏滞力，从而减少摩擦阻力，提高流体流动性。
•流变性质改变：减阻剂可以改变流体的流变性质，如提高流体的剪切稀释率、降低流体的黏滞变性，并减少黏滞失值，从而减小流体在管道中的涡流损失和能量损耗。
•表面张力调节：减阻剂能够降低流体的表面张力，增加流体在管道壁上的润湿性，从而减小流体与管壁之间的摩擦，达到减小管道阻力的效果。
3. 减阻剂的应用领域减阻剂在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个主要应用领域的介绍：3.1 石油工业减阻剂在石油工业中的应用非常广泛。
主要应用于石油、天然气输送管道，可以提高流体在管道中的流动性，减少管壁附着，降低摩擦阻力，从而提高输送效率。
减阻剂还可以防止沉降和凝结，延长管道使用寿命。
3.2 煤炭工业减阻剂在煤炭工业中主要应用于煤浆输送。
煤浆是煤与水的混合物，减阻剂可以改善煤浆的流动性，减小流体在管道中的阻力，降低能量消耗，提高煤浆输送效率。
3.3 化工工业减阻剂在化工工业中的应用也比较常见。
化工行业中常涉及到输送各种液体和气体，减阻剂可以提高流体在管道中的流动性，降低阻力，节省能源。
同时，减阻剂还可以减少管道堵塞和冲蚀的发生，减少设备维护和停机时间。
3.4 其他领域除了上述主要应用领域外，减阻剂还广泛应用于水处理、污水处理、食品工业、造纸工业等领域。
在这些领域中，减阻剂可以改善流体在管道中的流动特性，提高输送效率，减少能源消耗。
聚α-烯烃减阻剂不同溶剂对性能的影响
聚α-烯烃减阻剂不同溶剂对性能的影响茹春;李惠萍;胡子昭;周娟【摘要】利用斯摩尔公式分别计算了聚1-12烯、1-辛烯和1-12烯摩尔比为1∶4的共聚物的溶度参数,根据计算结果筛选了它们溶液聚合的良溶剂,通过实验考察了在反应条件一致的情况下,溶度参数不同的溶剂在溶液聚合过程中对聚合物黏均相对分子质量以及减阻率的影响,并对合成出来的减阻剂做了XRD表征.结果表明利用斯摩尔公式计算聚合物的溶度参数进而筛选合适的良溶剂是比较可靠的,可以用来指导今后减阻剂的合成.【期刊名称】《精细石油化工》【年(卷),期】2015(032)002【总页数】4页(P36-39)【关键词】溶度参数;减阻聚合物;减阻率【作者】茹春;李惠萍;胡子昭;周娟【作者单位】新疆大学化学化工学院石油天然气精细化工教育部新疆维吾尔自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐830008;新疆大学化学化工学院石油天然气精细化工教育部新疆维吾尔自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐830008;新疆大学化学化工学院石油天然气精细化工教育部新疆维吾尔自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐830008;新疆大学化学化工学院石油天然气精细化工教育部新疆维吾尔自治区重点实验室,新疆乌鲁木齐830008【正文语种】中文【中图分类】TE869聚ɑ-烯烃减阻剂是由α-烯烃聚合而成的油溶性的高聚物，其聚合方式主要包括本体聚合和溶液聚合。
传统溶液聚合过程中溶剂选择通常采用试验方法来优选最佳溶剂，这种方法费时费料,而溶度参数既是表征聚合物与溶剂相互作用的参数，也是衡量两种材料是否共容的一个较好的指标。
目前，溶度参数被广泛应用于聚合物之间相容性的研究[1]、药物的提取分离[2]、多组分体系相平衡的计算、聚合物溶解性的预测等领域。
笔者依据内聚能密度相近原则利用斯摩尔公式计算聚合物的溶度参数，从而指导溶液聚合过程中溶剂的选择，是一种可以减少试验次数，节省原料，提高工作效率的尝试。
1.1 试剂和仪器α-十二烯,聚合级，进口分装；ɑ-辛烯,聚合级；TiCl4/MgCl2；Al(i-Bu)3，进口分装；环己烷、正己烷、正辛烷、甲苯,分析纯，采用无水硫酸镁进行干燥除水。
减阻剂
减阻剂（兰州输油气公司张家川维抢修队甘肃天水 745000）摘要：用于降低流体流动阻力的化学剂称为减阻剂(drag reducing agent)，简称DRA。
减阻剂广泛应用于原­油和成品油管道输送，它是在特定地段提高管道流通能力和降低能耗的重要手段。
作者在《浅谈减阻剂》一文中介绍了减阻剂的发展历史、减阻机理、生产工艺、新动向及在国内外输油管道应用的实例；分析了在输油管道中应用减阻剂的优势。
关键词：流体减阻剂降耗聚合物前言流体的摩擦阻力限制了流体在管道中的流动，造成管道输量降低和能量消耗增加，而高聚物减阻法是在流体中注入少量的高分子聚合物，使之在紊流（速度、压强等流动要素随时间和空间作随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺的流体运动。
）状态下降低流动的阻力。
主体一、减阻及减阻剂的发展历史减阻的概念早在20世纪40年代就已经提出。
20世纪初美国纽约的消防队员曾使用水溶性聚合物增加排水系统的流量。
1948年Toms（汤姆斯）在第一届国际流变学会议上发表了第一篇有关减阻的论文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于氯苯中，摩阻可降低约50%，因此，高聚物减阻又称为Toms（汤姆斯）效应。
20世纪60年代末，美国Conoco(康诺克)公司研制成CDR-101型减阻剂，1972年取得专利，1977～1979年间首次商业化应用于横贯阿啦斯加的原油管道的越站输送及提高输量方面，并取得巨大成功。
1981年又研制成功CDR-102型减阻剂，比CDR-101型的性能成数倍地提高。
20世纪80年代初，开展了成品油管道的减阻试验，用于汽油、煤油、柴油和NGL（液化天然气）、LPG（液化石油气）的减阻，到1984年正式在成品油管道上应用。
70年代中期，美国Shellco（壳牌）公司和加拿大Shell Inc（壳牌）公司提出申请减阻剂专利。
1983年，美国Atlantic Richfield co(大西洋富田)公司研制出Arcoflo（艾少芬）减阻剂产品，加入5ppm（百万分之）即可达到20%的减阻效果。
油品减阻剂减阻机理及其效果预测研究现状
选取的性能指标，并基于此指标，简化减阻剂的选
1 DＲ
=
A ppm
+
B
（1）
式（1） 仅考虑了减阻剂添加浓度，将流动等
其他因素的影响均归于常数项 A、B，且不同工况
减阻剂依据合成方法可分为水溶性和油溶性 两大类，其中油溶性的高分子聚合物减阻剂以其 用量小、无污染等特点广泛应用在现场管输中。 1． 1 高分子聚合物减阻剂减阻机理
对油品减阻剂减阻的研究始于 20 世纪 80 年 代初，目前提出的减阻剂机理有：Toms 伪塑性假 说、Virk 的有效滑移假说、粘弹性假说、湍流脉动 抑制假说和湍流脉动解耦假说。其中湍流脉动抑
16
化工机械
2019 年
油品减阻剂减阻Leabharlann 理及其效果预测研究现状全 青 王寿喜 石 营 王 力 解 谨 王小丹
（ 西安石油大学石油工程学院）
摘 要 从减阻机理、减阻率预测和数值模拟 3 个方面介绍了目前主流的聚合物减阻机理、现场对减阻
率预测存在的问题与难点和数值模拟减阻过程的短板，总结了减阻剂的研究现状与存在的问题，为实现
图 1 湍流减阻机理示意图 1． 2 实验研究
减阻率的实验研究多数在室内利用平板或环 道进行，主要借助粒子成像速度仪（ Particle Imaging Velocimetry，PIV） 和相位多普勒测速仪测量
基金项目： 国家自然科学基金项目（51704236） 。 作者简介： 全青（1989-） ，讲师，从事多相管流及流动安全保障技术的研究，qingqing． lf@ 163． com。
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浙江工程学院学报,第18卷,第1期,2001年3月Journal of Zhejiang Institute of Science and Technology Vol .18,No .1,Mar 2001文章编号:1009 4741(2001)01 0015 05收稿日期:2000-09-06*教育部博士点基金资助项目高聚物减阻机理的研究综述*邵雪明,林建忠(浙江大学力学系,浙江杭州310027) 摘要:对有关高聚物减阻机理的代表性研究及进展进行了简要的综述,并对 应力各向异性说 这种较新的观点进行了介绍。
关键词:高分子聚合物;减阻;机理中图分类号:O357 5 文献标识码:A1 概 述高聚物减阻的研究始于1948年,Toms 在第一届国际流变学会议上,发表了关于高聚物减阻机理研究的第一篇论文[1]指出,在氯苯中溶入少量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),可大幅度降低液体运动的阻力,因此高聚物减阻又称为Toms 效应。
50年代和60年代初期,减阻研究多局限于流变学。
在60年代中期以后开始引起流体力学工作者的注意,并开始了广泛的研究工作。
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。
这正是流体力学工作者瞩目之所在。
迄今为止,虽然有了不少有关高聚物减阻的论著,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,并努力扩大在相关工程中的应用。
本文分两个时期对高聚物减阻机理研究的代表性观点和成果进行阐述。
2 分类综述1990年以前,尤其是60年代之后的10年间,在公开刊物发表的有关高聚物减阻的论文每年约有100篇,密度非常大。
所进行的研究可大致被分为三类。
第一类研究的着眼点为高聚物分子,主要研究高聚物分子在剪切、拉伸等流动中的运动特性,由此来推测高聚物的加入对湍流的影响。
1969年Lumley [2]发表了一篇高聚物分子在湍流中运动特性的综述性论文,列举了高聚物分子的主要参数包括分子质量、柔性、分子链长度、构形等的影响,并提出了一个在当时普遍得到认同的观点。
他认为高聚物分子在湍流边界层中受到拉伸,会使该处的流体粘度增加,这可能是高聚物引起减阻的主要原因。
White [3](1985年)指出,高聚物分子在静止溶液中各链节随机卷曲,统计图像呈椭球形。
溶液运动时分子因剪切而发生变形,与静止状态差别很大。
所以如果能观测到分子在剪切流中的构形及动力特征,16浙江工程学院学报 2001年 第18卷则在解释减阻机理时将甚为有效。
然而高聚物分子构形的动态测量是非常困难的,1986年,Be wersdoff[4]等应用冷中子小角度散射测量技术,把一种阳离子表面活性剂TTAB溶于重水中,形成分子量很高的胶束型减阻液。
垂直于流向入射的冷中子因胶束存在而发生散射。
沿流向及垂向的散射强度I1和I2与入射波的特征量 成函数关系。
试验发现,溶液静止时,椭球长轴随机取向,散射呈各向同性,I1( )=I2( );流动时,定向剪切使长轴取向的随机性质发生变化,散射显示各向异性,I1( )和I2( )分离为两条曲线。
哈佛大学Abernathy[5]等认为:在剪切流中流场的变形张量促使聚合物分子发生弹性变形,而旋转速度张量则使之旋转,抵消其变形影响。
由于这两种作用同时存在,大分子的动力状态可分为两个不同的阶段。
当壁面剪切率低于某一临界值时,大分子基本不发生变形,在剪切流向作Einstein-Jeffery型旋转。
当剪切率高于临界值时,大分子发生强烈变形,旋转与大变形的合成运动产生了较强的远场波动,这可能引起与邻近大分子的相干,形成对减阻发生作用的基本单元。
为了阐明大分子的运动状态对减阻的具体作用,Abernathy等分析了涡管在剪切流中的进化情况。
大分子的变形运动产生了两种作用,即阻碍涡管的形成和对已形成的涡管阻碍其发育。
这两种作用的综合效应是降低了高分子稀溶液的猝发周期,从而导致了湍流减阻。
Rabin和Zielinska[6](1989年)研究了在拉伸流动中聚合物分子对涡量分布的影响。
加入高聚物后,在高波数上,类似于牛顿流体发生了涡量的拉伸。
原本由小尺度涡耗散掉的能量则被受到拉伸的聚合物分子储存起来,当这些聚合物分子运动到拉伸速率小的区域的时候,它们又会松弛恢复到原来的形态,而储存的能量被传输给低波数的速度脉动。
由于湍流边界层结构的复杂性,单从聚合物分子的角度入手来精确推断其对湍流的所起的影响比较困难。
第二类研究的着眼点为高聚物对湍流统计量的影响,早期高聚物减阻的研究大都属于这一类。
1967年,Virk[7]等通过速度测量对减阻流动进行了比较细致的研究。
他们采用毕托管、热线在不同减阻剂和溶剂测量减阻管流的流向速度,得到了著名的Virk渐近线。
之后,高聚物在减阻流动中分布均匀度的影响也成为一个研究的方向。
很多研究者发现高聚物是预先混合在溶剂中,还是从壁面注入到流动中,对减阻效果有显著的影响。
McComb和Rabie[8](1982年), Ber man[9](1986年)都研究过这个问题。
对于不均匀的高分子溶液,研究者关注的一个重要特征就是高分子丝团的构形。
通过研究提出了一个关于减阻原因的假设,认为减阻是由于高分子丝团和近壁区湍流结构相互作用的结果。
然而,单纯从统计测量的角度来分析湍流结构是不够的,同时由于早期测量技术及仪器的缺陷,也为这方面的研究带来了一定的困难。
第三类研究的着眼点在于高聚物对湍流拟序结构的影响。
这是随着湍流理论和各种测量技术的发展而出现的相对较新思路。
随着湍流拟序结构研究的发展,减阻研究又得到了新的启迪。
Gordon[10](1970年)发表了第一篇有关高聚物对拟序结构影响的文章,他认为高聚物的加入会削弱湍流边界层猝发过程的强度,但论文中没有提供支持这一观点的数据。
Donohue、Tiederman和Reischman[11](1972年)采用流动显示技术在槽流中探讨了高聚物对湍流拟序结构的影响。
发现在靠近壁面区,y方向流体运动显著削弱,湍斑区增大,以及猝发速率明显减小。
Ber man[9](1986年)也得到了类似的结论。
Berman还发现把聚合物预先混合到溶剂中也能使猝发速率减小,但不如流动时注入影响显著。
文献[8]中把条件采样与激光测速相结合,测量了圆管内聚氧化乙烯(PEO)水溶液的猝发过程,定义无因次猝发周期为:T B!u2T+B=式中:T B为相邻两次猝发的平均时间间隔,u 为摩擦速度,为溶液的运动粘性系数。
通过测量得到:纯水T+B =266;PEO水溶液之猝发周期随减阻百分比!的增加而增大,当!由26 5%增至67%时,T+B由274增至1280。
Aric (1986年)测量了PE O 水溶液的平面流动,也用了条件采样技术,所得结果与文献[8]在性质上是一致的。
与70年代同类工作相比,Aric 等的结果在精度上有所提高。
从湍流拟序结构这一角度的研究能得到很多由高聚物加入所引起的现象,但要解释这些现象还比较困难,需要其它方面研究的支持。
3 关于减阻机理的几种观点通过研究,人们相继提出了一些理论,以下简要介绍有代表性的几种。
a)伪塑说这是最早被用来解释减阻机理的观点。
Toms 在文献[1]中提出,聚合物溶液具有伪塑性,剪切速率愈大,表面粘度愈小。
溶液在通过管道流动时,壁面附近剪切速率大,粘度降低,从而使流动阻力降低。
但目前这种理论已被否定,Walsh 的工作给了伪塑说致命的一击,他用聚甲基丙烯酸溶液做实验,有很强的减阻作用。
但这种流体却是典型的胀流型流体。
b)湍流脉动抑制说由于高聚物只对湍流减阻,所以有人认为减阻是因溶液中聚合物分子抑制了湍流旋涡的产生,从而使脉动强度降低,减少了能量损失。
这种说法初看似乎很有道理,但遭到湍流脉动强度实测结果的否定。
c)粘弹说随着粘弹流体力学的发展,有人提出高聚物溶液的减阻作用是由于溶液粘弹性和湍流旋涡发生相互作用的结果。
粘弹性流体变形的记忆性使减阻流场的空间尺度和时间尺度增大,湍流旋涡的一部分动能被聚合物分子吸收,以弹性能形式储存起来,使旋涡动能减少,旋涡消耗的能量也随之减少。
这种理论虽然还没有达到完善的境地,但已被不少学者所接受。
然而最近的研究使之也受到了挑战。
4 最近的进展进入90年代,有关高聚物减阻机理研究的一个显著特点就是在研究密度方面虽然远低于六七十年代,但在深度和难度方面却是相当可观的。
经过近30年的努力,研究者发现,单纯从聚合物分子、湍流的统计测量以及湍流结构这三个着眼点来研究高聚物减阻的机理,虽得到了一些重要的成果,但由于存在着各自的缺点,对高聚物减阻原因还是没有一个明确的解释。
要想取得重大的突破,在这三个方面相互结合的研究可能是有效的。
如加入聚合物使得湍流边界层的猝发频率降低,这是从湍流结构的角度研究得到的结论,但要解释其原因,就必须从分析聚合物分子在湍流中的运动特征入手。
近10年在这一方面有了一定的进展,并提出了一些新的观点。
Pinho 和Whitelaw [12](1990年),Harder 和Tiederman [13](1991年),Wei 和Willmarth [14](1992年)应用LDV 分别测量三维管流和二维槽流的湍流统计量,这些研究的一个明显结果是高分子聚合物的作用并不是抑制了湍流的运动,相反的是流向湍流强度得到了加强,而法向湍流强度减弱了。
这就意味着高分子聚合物的加入,湍流结构是被改变了,而并不是以前所认为的是被削弱了。
Wei 和Willmarth 还发现法向速度的能谱在所有频率上都被抑制了,而流向则从高频到低频能量重新进行了分布。
同时发现,以不同的速度注入不同浓度的聚合物(保持注入的聚合物总量不变),近壁区流向速度的能谱和雷诺应力有很明显的变化。
1995年,den Toonder,Nieuwstadt 和Kuiken [15]为了检验Lumley [2](1969年)的观点,对管流进行了直接数值模拟,发现仅仅拉伸粘度的增加还不足以产生明显的减阻。
之后,通过总结Virk 和Wa gger [16](1990年)、Draad 和Hulsen [17](1995年)、Sadaki [18](1992年)等的一些最新研究成果,1997年den Toonder [19]提出:减阻流场中,由于聚合物分子的拉伸所引起的应力各向异性是高聚物减阻的主要原因。
为证实这一观点,den Toonder 首先应用激光多普勒测速对管流进行了研究,得到了近壁区高阶的湍流统计量及湍动能谱。