减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、$\zeta$电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.      

添加剂湍流减阻流动与换热研究综述

添加剂湍流减阻是指在液体的管道湍流中添加少量的高分子聚合物或某种表面活性剂从而使湍流阻力大大降低的现象.从其被发现至今,经过近半个世纪的研究(实验研究、理论分析、数值模拟和实际系统的应用研究),尽管对这一现象及其实际应用价值已有了较为深入的认识,但仍有许多方面尚有欠缺,例如对湍流减阻的机理仍然在探索中.本文归纳评述了高分子聚合物或表面活性剂添加剂湍流减阻流动与换热现象的研究现状,从湍流减阻剂的特性、减阻剂的湍流减阻机理、湍流减阻发生时的换热机理、减阻流动速度场分布和换热控制等几个方面综述了添加剂湍流减阻流动与换热特性,并综述了湍流减阻剂在实际工业系统中的应用情况,在对添加剂湍流减阻机理、有湍流减阻发生时的对流换热机理等的理解方面进行了新的总结.      

表面活性剂减阻溶液湍流流动研究进展

与聚合物添加剂相比,表面活性剂具有寿命长,不受机械力和高温影响发生降解的特点,目前被认为是最具有适用价值的减阻添加剂．针对表面活性剂湍流减阻机理,尽管已经开展了大量的实验研究、理论分析和数值模拟,但仍处于探索阶段,尚未定论．文中对目前国内外有关表面活性剂减阻溶液湍流流动的研究如平均速度、湍流强度、雷诺应力和相关系数等湍流统计量以及取得的成果进行了归纳和总结．目前普遍认为阻力减小是由流动垂直方向的湍流强度受抑和脉动速度分量解耦导致雷诺应力极大降低引起的．分析了目前研究存在的问题,对今后继续开展研究提出了自己的观点．      

表面活性剂溶液中弹性胶束断裂作用下圆柱绕流特征研究

表面活性剂分子溶于水自组装形成的蠕虫状胶束溶液由于其高表面活性和高黏弹性，具有独特的力学响应特性，呈现出与牛顿流体迥异的流动特征。采用考虑溶液中胶束可逆断裂和重构效应的双组分VCM本构方程，研究了溶液流变学特性，发现溶液拉伸应力随应变率呈现出拉伸硬化-稀化-硬化的强非线性特征。研究了蠕虫状胶束溶液绕圆柱流动的特性，在低雷诺数(Re～0.01)下，当维森贝格数Wi>1时，流场出现较强的不稳定性，绕流尾迹区流场呈现随时间波动的特征，通过功率谱分析发现流场波动具有拟周期特征，当胶束断裂引起流体拉伸应力对弹性响应的非线性增强时，流场波动的不规则性增强。圆柱后缘附近出现一对周期性变化的对称涡，表明流体弹性会促进流动分离的发生，流体拉伸应力对弹性变化的强非线性响应是造成低雷诺数绕流流动不稳定性的根本原因，揭示了蠕虫状胶束溶液在低雷诺数高黏弹性时绕流流动不稳定性的产生机理。     

脊状表面减阻机理研究

针对脊状表面流场的特点,通过实验测量和数值模拟的方法对脊状表面微观流场进行了深入研究,获得了脊状表面湍流边界层的时均速度分布曲线、湍流度分布曲线和微观流场结构.为了得到脊状结构对壁面物性的影响,对脊状表面进行了疏水性测试,获得了液滴在脊状表面上的表观接触角,并通过水洞试验验证了脊状表面的减阻效果.研究表明,与光滑表面相比,脊状表面微观流场结构中存在"二次涡",近壁区的黏性底层厚度比平板的要厚得多,湍流度显著降低,且脊状表面表现出明显的疏水性.由此提出了基于壁面隔离效应、增大湍流阻尼效应和改变壁面物性效应的减阻机理.     

凹坑形表面在空气介质中的减阻性能研究

采用标准k-ε湍流模型对一种新型的非光滑表面———凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了数值模拟,可以得到光滑表面和半径0.4mm的半球状凹坑分布的非光滑表面在4~48m/s范围内的来流速度下的阻力系数.计算结果表明该凹坑形非光滑表面在这个速度区间内均能产生一定的减阻效果.在速度为24m/s时,它的减阻率达到最大的7.2%.最后本文对该非光滑表面的减阻机理进行了研究.     

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

矩形槽道内表面活性剂减阻流体场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁 面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉 动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结 果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅 减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带 特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.     

矩形槽道内表面活性剂减阻流体流场特性

采用粒子图像测速仪对矩形槽道内表面活性减阻流体在流动方向(x方向)与壁面垂直方向(y方向)所在平面的流场进行了测量,分析了速度、涡量、速度脉动相关量在流场内的瞬态分布,以及对500幅相同工况的流场进行了统计平均. 结果显示: 与牛顿流体相比, 表面活性剂减阻流体接近于层流流动,横向速度脉动被大幅减弱,导致湍流输运减弱,雷诺应力远远小于水. 减阻流体流向速度脉动呈条带特征,沿流动方向发展,反映了减阻流体不同于水的湍流输运特征.      

暖季强降雨对多年冻土南界斜坡路基稳定性影响分析

为阐明表面活性剂水溶液的减阻作用,使用LDV对零压梯度的二维湍流平板边界层中的CTAB 表面活性剂水溶液的湍流特性进行了实验研究. 结果表明：与牛顿流体相比,CTAB水溶液边 界层的粘性底层增厚;主流时均速度分布有被层流化的趋势,对数分布域上移;主流方向速 度湍动强度峰值减小,且远离壁面,在靠近边界层中部,出现第2峰值;垂直于主流方向的 速度湍动强度受到了大幅度抑制,雷诺应力沿着边界层厚度方向几乎为零. 结果说明CTAB 水溶液具有减弱湍流湍动各个成分相关度的作用,从而能够使雷诺应力降低、湍流能量生成 项减小最终降低流体的输送动力.     

边界层对壁面湍流流动高分子减阻的影响

以“粘性”机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变.通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的直接数值模拟结果进行比较,进一步校验了此等效粘度理论.通过肋条破坏槽道流中的边界层,显示了边界层对高分子减阻的影响,结果表明只有形成稳定的边界层,高分子才能有减阻作用.边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率分布区之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域.     

高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。     

二维平板湍流边界层减阻研究

利用一套以位移传感器为主的弹性平衡装置,测量几种不同表面形状设计的平板在充分发展的二维湍流边界层中的减阻效果,并对其减阻机理进行研究。结果表明,大涡破碎器 LEBU(Large Eddy Break-up)和其它减阻装置的形状和布置对表面摩擦阻力有较大影响,在有些设计状态下的平板得到了净减阻。     

分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应

对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟．模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响．自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制．受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜．纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合Griffith理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性．     

壁面展向周期振动的槽道湍流减阻机理的研究

利用直接数值模拟研究了带有壁面展向周期振动的槽道湍流.壁面在展向的周期运动使湍流受到抑制,并使壁面摩擦阻力减小.通过对雷诺应力输运方程的分析研究了壁面展向周期振动的减阻机理,进一步揭示了压力变形项在湍流抑制中的关键作用.     

上海陆域古河道分布及对工程建设影响研究

采用直接数值模拟方法, 对槽道湍流中展向振动流向传播的波动壁面的流动 控制和减阻问题进行了研究, 讨论了流向参数k_{x}对Stokes层、湍流拟序结构、湍流猝 发事件以及壁面阻力的影响, 并对此类波动壁面的湍流控制和减阻机理进行了讨论. 结果表 明, 当此类波动壁面被用来调制近壁流动时, 仅低频波对湍流流场具有显著影响, 可导致湍 流猝发事件的频率和强度的显著变化; 波数k_{x}的增大对于湍流猝发事件的频率和强度增 减的影响并不同步, 存在一个最优的波数k_{x}, 在其调制下, 固有流场对诱导流场的影响 最弱, 而诱导流场对固有流场的影响显著, 减阻效果最好.     

微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究

超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值. 本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面. 测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降,将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较,发现在层流情况下,流动阻力减小最多达到了22.8%. 在湍流的情况下,超疏水表面的减阻比例约为53.3%,减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry) 技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场,通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息,分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.     

水下湍流减阻途径分析

综述了壁湍流边界层分层结构及近壁区湍流猝发过程,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地总结.根据各类减阻方法的特点对水下湍流减阻方法进行了分类,并分析了各类减阻方法对壁湍流流场的影响特征,总结了维持或延长层流、干扰湍流"猝发"、壁面隔离、增大湍流阻尼和改变壁面物性等5种水下湍流减阻可行途径,为开展水下湍流减阻研究及发现新的减阻方法提供参考.     

圆管湍流减阻电磁力控制的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究了圆管湍流减阻的电磁力控制问题. 在圆管表面布置一层交替排 列的条形电极和磁极，施加电压后在导电的流体介质中产生周向随时间变化的电磁力，通过 改变电磁力的大小和变化周期等参数可以使阻力大幅减少. 研究减阻率和控制参数的 关系，并研究了电磁力减阻的机理. 电磁力控制存在最优周期，阻力最大降 低24.2{\%}; 电磁力控制抑制了流向和法向速度的脉动，而周向脉动速度随振荡周 期的增大而增大.