油品减阻剂减阻机理及其效果预测研究现状

油品减阻剂减阻机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【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,为实现减阻剂高效合理的利用指明了研究方向.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2019(046)001【总页数】5页(P16-20)【关键词】输油管道;油品减阻剂;减阻机理;减阻率预测;数值模拟研究【作者】全青;王寿喜;石营;王力;解谨;王小丹【作者单位】西安石油大学石油工程学院;西安石油大学石油工程学院;西安石油大学石油工程学院;西安石油大学石油工程学院;西安石油大学石油工程学院;西安石油大学石油工程学院【正文语种】中文【中图分类】TQ055.8+1油品管输过程中添加高分子聚合物即减阻剂，可以明显降低管路系统摩阻、提高管道输送能力，具有广阔的市场应用前景和巨大的商业价值。

但目前由于油品减阻剂减阻效果预测体系的缺失，使得减阻剂在输油管道现场的应用只能通过现场实验的方法来确定减阻剂的优选和添加浓度，而且减阻剂的选取和使用没有明确的规定，仅通过实验装置进行实验研究来确定该减阻剂是否应用于达不到预期输量要求的管线中，这极大地限制了减阻剂在设计阶段的工艺优化、运行阶段的推广应用和管输系统的节能降耗。

因此，笔者从减阻机理、减阻率预测和数值模拟3个方向全面探究油品减阻剂的研究进展，为后续减阻剂在输油管道中的合理、高效应用提供指导，使减阻剂在管输初期即起到节能减排的作用。

1 减阻机理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。

其中湍流脉动抑制假说着眼于湍流结构，从减阻现象的本质入手，明确了减阻剂改变了湍流流动的哪些方面，进而分析为什么会发生这种现象，因此得到了诸多学者的认可[1]。

湍流脉动抑制假说认为，高分子聚合物不仅抑制了湍流中漩涡的产生使得脉动强度减小，而且还抑制了轴向的湍流强度，从这两个方面使得湍流中的能量损失减少，从而达到减阻的目的。

如图1所示，在湍流管道中加入减阻剂主要是改变了湍流流动结构中的过渡区和湍流核心区，降低了各个方向上的湍流强度，相应的雷诺应力减小，流体阻力减小。

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加入减阻剂前后速度场沿轴向和径向的分布变化，进而分析减阻剂的作用机理。

Virk P S等通过实验对高分子聚合物管流减阻特性进行了研究，并认为减阻率存在最大值，不同工况下的减阻率都接近于最大减阻率但达不到最大减阻率，即存在最大减阻渐近线(Maximum Drag Reduction Asymptote，MDRA)，且MDRA不随聚合物浓度和管道直径的变化而变化[2,3]；此外，他们还认为减阻流体的平均速度分布有3层：粘性底层、弹性底层和牛顿流体插入层，其中减阻剂作用区域在弹性底层，且此区域与牛顿流体区的平均速度分布曲线是平行的(三层理论)。

Warholic M D等也开展了聚合物减阻的实验研究，利用PIV测量了二维湍流流场内添加聚合物前后流体流动的变化，结果发现加入聚合物后流体的散热减少，且证实了Virk P S提出的最大渐近线的存在以及零雷诺剪切应力现象[4]。

许鹏等利用相位多普勒测速仪研究了低浓度表面活性剂减阻剂对流体流动性能的影响，结果发现当流体处于最大减阻状态时，其径向和轴向的速度脉动均明显小于牛顿流体中的径向和轴向的速度脉动，且径向和轴向的速度脉动相关性减弱[5]。

王德忠等应用PIV和便携式激光测振仪研究了二维流场中减阻剂对湍流流体结构的影响，实验发现加入减阻剂后，近壁面处流体的漩涡波动消失，且近壁面处的速度分布曲线趋近于层流速度曲线，但不完全重合；此外，还发现减阻流体的摩擦系数随雷诺数的增大先减小后增大最后趋于纯溶剂值，其中最小值对应过渡区与湍流区的分界处[6]。

Kawaguchi Y等利用粒子成像速度仪发现，在清水中很容易观察到壁面处强劲的涡量脉动在减阻流体中消失了[7]。

Li F C等利用PIV通过实验对比了加入表面活性剂前后湍流流体内近壁面处涡流的频率和强度变化，发现表面活性剂的加入大幅降低了湍流流体中近壁面处涡流的频率和强度，相应的摩擦系数也降低了，即表现为湍流减阻现象[1]。

此外，还有许多学者利用环道实验装置对减阻剂特性和减阻规律进行了研究[8～14]，但是均没有提出减阻剂的性能指标，仅对特定减阻剂的性质和减阻效果进行了实验研究，且并没有达成统一的标准。

因此，针对未来减阻剂的选取和节能减排的要求，需要提出一套能满足管输中减阻剂选取的性能指标，并基于此指标，简化减阻剂的选取过程，为减阻剂在管输系统中的应用提供便利。

2 减阻率预测目前，针对减阻剂减阻效果的预测主要是包含减阻剂浓度参数的减阻率预测公式，且均为经验公式，其中的参数需要通过现场实验或室内实验进行模拟确定。

最早、最广泛应用的减阻率预测公式是关于减阻率DR和减阻剂添加浓度ppm的导数方程，其基本形式为：(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，且不同工况需要拟定的常数项不同。

1971年，Lescarboura J等在式(1)的基础上引入了速度项[15]：(2)其中，u为流速。

从式(2)可以看出，只有当速度达到一定值时，减阻剂才能起到减阻的作用，即存在“启动流速”。

但是针对不同减阻剂和不同工况，式(2)也需要重新确定常数项。

1985年，Motier J F和Prilutski D J基于Virk P S提出的最大减阻渐近线理论，将最大减阻率DRm引入到减阻率预测公式中，形式如下[16]：(3)同年，Lester C B将减阻率预测的导数方程(式(1))进行了级数展开，形式如下[17]：(4)式(3)、(4)中的C～H均为经验常数，经验常数一旦确定后，便可用于预测该减阻剂在该实验管段内不同添加浓度条件下的减阻率。

但是针对不同减阻剂在不同工况下的运行情况，需要根据减阻剂种类和管径重新进行实验以确定各常数项的值。

1991年，李相怡和翁永基通过现场实验数据验证，将减阻率DR和减阻剂浓度ppm的关系变更为非导数形式的预测公式的预测值[18]：DR=I[1-exp(-J·ppm)](5)其中，I、J为经验常数。

同时也发现减阻率DR和雷诺数Re之间也存在类似关系，即：DR=I′[1-exp(-J′·Re)](6)其中，I′、J′为经验常数。

结合式(5)、(6)，可以得到同时包含减阻剂浓度ppm和Re的减阻率预测公式：DR=K1[1-exp(-K2·Re)][1-exp(-K3·ppm)](7)其中，K1、K2、K3均为经验常数，需要通过实验确定，且不同管径下经验常数取值不同。

此形式的预测方程也为经验公式，但其物理含义更加丰富，当雷诺数Re一定时，随着减阻剂添加浓度ppm的不断增加减阻率DR不断增大，且趋近于K1[1-exp(-K2·Re)]，即存在最大减阻率DRm；此外，当减阻剂添加浓度ppm一定、流体速度或雷诺数较低时，[1-exp(-K2·Re)]几乎接近于0，减阻效果也接近于无，这就解释了为什么减阻剂只能在湍流区内起到减阻的作用，也可以解释现场实验中出现的“减阻作用的启动速度”现象。

以上各公式均可预测一定条件下的减阻率，但前提是各经验常数必须是预测管线上确定的，这在一定程度上给减阻率预测公式的应用设置了障碍，也限制了减阻剂的推广。

在后续减阻剂研究中，需要提出一种包含减阻剂特性和管流特性的减阻率预测方程，以实现不同工况下减阻率的预测，使得减阻剂高效、节能的使用。

3 数值模拟对减阻流体进行研究的一个重要目的是揭示减阻机理。

大量的实验研究，尤其是对湍流流场的测量和湍流统计特性的分析，一方面是对各种减阻机理假说进行验证，另一方面则为深入解释减阻机理提供了新的依据。

然而受限于测量手段，减阻流体内单元体的相互作用无法直接观测，而根据湍流场宏观统计特性的改变去描述上述作用过程和添加剂本身的物理属性都是一种间接的方法。

因此，根据减阻机理假说建立相关的物理模型，再进行数值计算是除了实验研究以外另一种常用的研究手段。

由于最早被广泛研究的减阻添加剂是高分子聚合物，因此目前主要参照高分子聚合物及其流变参数来描述减阻流体的数学模型并对参数进行拟合。

Gorodtsov V A和Leonov A I采用振动粘性底层模型来描述粘弹性流体的壁面湍流结构，结果发现高分子聚合物改变了湍流流体中近壁面处的流动结构[19]。

Toonder J M J D等通过直接模拟方法采用简化的高聚物拉伸准则仅增加了当地粘度，结果发现仅增加外层有效粘度的高聚物不足以通过改变湍流结构来产生明显的减阻效果[20]。

此外，Den T J等还分别采用拉伸粘度模型、粘性各向异性模型和粘弹性模型对聚合物减阻流体在管道中的流动进行了直接数值模拟，提出聚合物减阻流体的关键参数由聚合物诱导的粘性各向异性应力所决定[21]。

Dimitropoulos C D等采用有限拉伸非线性弹性模型和Giesekus粘弹性模型直接模拟了二维湍流流场中充分发展的粘弹性流体，结果表明由于高分子聚合物分子长链的拉伸使得流体拉伸粘度增大，从而减弱了径向速度的扰动强度，加强了轴向的流动即产生减阻现象[22]。

Cruz D O A和Pinho F T在雷诺数k-ε模型的基础上引入了新的非线性分子粘度衰减函数来描述动量方程中的新应力项，发现管流中出现了扩大减阻的现象[23]。

Ptasinski P K等采用拟谱方法研究了高雷诺数下的高浓度聚合物湍流流动，并首次观察到了高减阻区域，且计算结果与实验结果一致[24]。

Rudman M等采用广义牛顿流体的流变模型直接模拟了圆管过渡流和湍流流动，结果发现，流体偏离牛顿流体流动特性的程度与幂律流体指数成反比，且摩擦系数的降低是由聚合物长链分子对近壁面处径向扰动的减弱和轴向能量的增强引起的[25]。

综上所述，目前关于减阻流体数值模拟的研究已经有许多，包括数学模型、直接数值计算、减阻流体流变特征的测量和拟合，在减阻模拟效果、流场特征分析模型适用性和减阻机理方面获得了许多有价值的研究成果。