聚丙烯酰胺水溶液减阻特性实验研究

论文摘要

1948年,Toms在第一届国际流变学会议上,发表了关于高聚物的减阻实验结果。减阻这一独特的现象吸引了众多学者的青睐,减阻问题在近代流体工程中日益处于重要地位。减阻效应使添加减阻剂后的流体在传送过程中的阻力大幅减小;同时由于减阻流体的传热性能变差,减少了沿程散热损失,从而使减阻流体在区域制冷、供暖等系统中具有广阔的工业应用前景。因此,研究添加剂减阻对暖通空调领域具有重要的意义。高聚合物减阻的研究是因为这一技术具有很大的经济价值,并有投入量少和减阻效果显著特点。可作为减阻剂的高聚合物种类很多,而聚丙烯酰胺比其他高聚物具有更强的抗剪切和抗高温能力。本论文首先简要地概述了目前存在的几种高聚物减阻机理,从而更深层次地从粘弹性理论出发,根据窦国仁教授所推导出来的时均速度,湍流脉动以及雷诺应力公式,从而分析牛顿流体和减阻流体的时均速度、纵向脉动速度以及层流附面层的流速分布区别。其次在水力学实验室搭建闭式循环系统减阻实验台,进行清水实验,结果表明,清水在层流区很好地符合Hagen-Poiseuille定律,在湍流区符合Prandtl-Karman定律从而率定减阻管道直径和为PAM水溶液的减阻实验提供了有力的证据;建立了减阻实验结果所依据的三个基准:Hagen-Poiseuille定律,Prandtl-Karman定律以及Virk线;推导了减阻实验所需摩擦阻力系数与雷诺数的关系式。最后根据不同温度,不同浓度和不同雷诺数下,在PVC管和紫铜管中进行减阻实验,从而得出了PAM的减阻效果:在相同温度和雷诺数下,减阻效果随着溶液浓度的增加而增强;在相同浓度和雷诺数下,减阻效果随着溶液温度的增加而增强;200ppm的PAM水溶液在PVC管中最大减阻百分比在温度10℃时为65%,在温度20℃时为50%;200ppm的PAM水溶液在铜管中最大减阻百分比在温度17℃时为63%,在温度60℃时为38%;本次实验结果表明PAM水溶液在低温下具有高的减阻效果,而在高温条件下存在明显降解,与U.S.Choi等人的实验结果一致,所得的实验结果对于工程的应用具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外高聚物减阻研究现状及分析
• 1.2.1 国外研究现状及分析
• 1.2.2 国内研究现状及分析
• 1.2.3 国内外研究存在的问题
• 1.3 本课题研究内容
• 第2章 高聚物减阻机理及减阻条件
• 2.1 概述
• 2.2 高聚物减阻机理
• 2.2.1 Toms的伪塑假说
• 2.2.2 Virk的有效滑移假说
• 2.2.3 涡能量耗散受抑制假说
• 2.2.4 涡能量产生受抑制假说
• 2.2.5 粘弹性假说
• 2.3 高聚物减阻方程式的介绍
• 2.3.1 粘弹性流体的剪力及湍流运动方程式
• 2.3.2 减阻湍流的时均流速和脉动流速分布
• 2.3.3 减阻参数
• 2.3.4 高聚物减阻的最佳浓度
• 2.4 高聚物稀溶液减阻的条件
• 2.4.1 高聚物结构与减阻性能
• 2.4.2 高聚物稀溶液粘性减阻基本图形
• 2.5 本章小结
• 第3章 高聚物减阻实验装置
• 3.1 概述
• 3.2 实验系统简介
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 流动系统
• 3.2.3 溶液配制
• 3.2.4 测量系统
• 3.3 实验管径的率定
• 3.3.1 管径率定的重要性
• 3.3.2 管径率定原则及结果
• 3.4 减阻实验基准
• 3.5 本章小结
• 第4章 聚丙烯酰胺水溶液减阻实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 PAM水溶液在PVC管中的实验研究
• 4.2.1 减阻起始现象
• 4.2.2 浓度效应
• 4.2.3 温度效应
• 4.2.4 减阻效果评价
• 4.2.5 抗剪切性能
• 4.3 PAM水溶液在紫铜管中的实验研究
• 4.3.1 浓度效应
• 4.3.2 温度效应
• 4.3.3 减阻效果评价
• 4.3.4 抗剪切性能
• 4.3.5 管径效应
• 4.4 高聚物减阻在暖通空调领域中的应用
• 4.5 本章小结
• 第5章 减阻实验误差分析
• 5.1 概述
• 5.2 误差的基本概念
• 5.2.1 误差的定义及表达方法
• 5.2.2 误差来源
• 5.2.3 误差的分类
• 5.3 清水实验的误差分析
• 5.4 聚丙烯酰胺水溶液减阻实验的误差分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢