油品减阻剂减阻机理及其效果预测研究现状

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
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
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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。
第 46 卷 第 1 期
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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］。
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：
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。
减阻剂高效合理的利用指明了研究方向。
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
中图分类号 TQ055. 8 + 1
文献标识码 A
文章编号 0254-6094（2019）01-0016-05
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