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不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究

发布日期:2015-02-14 15:30:05

不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究和黄原胶溶液

不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究,采用实验的方法,测试了黄原胶溶液在不同直径的光滑管道流动中的减阻特性和管径效应。其中变化 参数为:(1)管道直径,共有3种管径,分别为5、10和20mm;(2)黄原胶溶液的浓度,变化范围为50〜550 ppm;(3) 流速,用广义雷诺数⑶、)来表征,变化范围为0〜50000。实验测量了不同参数下的管道压降和体积流量Q, 得到了黄原胶溶液浓度与减阻率的关系,以及只〜数对沿程阻力系数A的影响,观测到黄原胶溶液减阻具有很明 显的浓度效应,即随着溶液浓度的升高减阻率不断增大,直至达到最佳饱和减阻浓度,减阻率基本保持恒定。还观 测到黄原胶溶液在不同管径中高低流速下表现出减阻类型的差异

黄原胶又称黄胶、汉生胶、黄单胞多糖,是一种由 D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酰基和丙酮 酸组成的“五糖重复单元”结构聚合体[1],由甘蓝黑腐 病野油菜黄单胞菌以碳水化合物为主要原料,不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究,经好氧 发酵生物工程技术,切断1,6-糖苷键,打开支链后, 再按1,4-键合成直链组成的一种酸性胞外杂多糖, 分子的一级结构由0键连接的D-葡萄糖基主链与3 个糖单位的侧链组成,侧链由两个D-甘露糖和一个1>葡萄糖醛酸的交替连接而成。部分侧链末端的甘露 糖4,6位C上连接有一个丙酮酸基团,而部分连接主 链的甘露糖在C-6被乙酰化[2]。黄原胶的相对分子量 在2X106〜5X107之间[3]。由于黄原胶相对分子量 较大,且其分子链具有长直链,主链上带有少量较大的 侧链,这些结构特性使其成为一种很好的减阻剂。
高分子减阻技术自1948年丁oms[4]在第一届国 际流变学会议上提出以来,各国学者已对其进行了大 量的研究。在早期对黄原胶溶液流变特性的实验研 究中,Kems[5]利用毛细管式流变仪研究了黄原胶溶液 的减阻特性,他主要阐述了黄原胶溶液的减阻现象、溶 液浓度与降解的关系,以及减阻在管道中的应用等问 题。Bewersdorff等人[]从不同的管径(3. 146、5. 186 和6. 067mm)、商用和食用黄原胶、添加NaCl和不添 加NaCl等方面进行了实验,其中用3. 146mm管径进 行了两种浓度且不添加NaCl的黄原胶溶液的实验。 这两位学者实验的共同点是:均采用毛细管式流变仪 进行减阻特性实验,实验管径小,黄原胶溶液浓度变化 范围窄。Sohn等人[7]用转盘装置也进行了黄原胶溶 液减阻特性的实验研究,所得结论与上述实验一致。 Escudier等人[8_9]采用100mm的圆管和方形槽道对羧 甲基纤维素钠(cmc,0. 15%、0. 3%和0.4%)、黄原胶 (XG,0. 2%)、CMC/XG(0.19%/0.19%)和聚丙烯酰胺 (PAA,0. 〖25%和0. 2%)几种添加剂的减阻特性进行 了比较。Pereira等人[10]在圆管中进行减阻实验,也仅 对2种浓度的黄原胶溶液进行了对比。张根广等 人[11]分别在15T和22T下对黄原胶多种浓度进行了 减阻测试,得到了范宁阻力系数/和Re数的关系曲线 图,发现黄原胶溶液从层流到湍流转捩点的广义雷诺 数随着溶液浓度的升高而增大,并与溶液浓度之间存 在着良好的相关性。总之,前人对于黄原胶减阻特性 的实验研究,虽然在不同管径中进行,但并没有对不 同管径中黄原胶的减阻特性进行对比,且管径均比较 小。后来的一些研究虽然采用了较大的管径,但是浓 度单一,且实验主要是对不同减阻性能的对比,并没 有对黄原胶的减阻特性进行详细全面的研究,鉴于上 述情况,本文采用3种不同直径(管径分别为5、10和 20mm)的水平光滑圆管对清水和不同浓度的黄原胶 溶液进行减阻特性实验,主要研究黄原胶水溶液的浓 度效应、管径效应以及流速对减阻率的影响。
1实验装置和方法
1.1实验装置
实验在自行设计的装置[12]上进行(见图1),装置 和回路主要由储液箱、离心泵、变频器、电磁流量计、 恒压水箱、压力表、差压变送器、测量槽以及各种阀门 管路组成。其中测试段AE包括一组3个不同直径 的管道(、0和20mm)在压力测量点B之前,为充 分达到稳定状态,需要足够长的发展段AB,根据 White[13]提出的经验公式,应满足不小于138倍 管径的长度,因此5、0和20mm 3种直径的管道发 展段分别为0. 7、. 4和2. 8m,3个管道的测试段 长度均为2m。本实验采用差压变送器测量测试段 两端的压差,其测量精度可达0. 25%;采用体积 法与电磁流量计两种方式测量流量,相对误差小于 0.工%;由变频器调节离心泵的转速,并配合布置在各 管道上的阀门控制管道流速;在储液箱和测量槽位置 处采用温度计测量溶液温度,实验过程中溶液温度控 制在 20士1°C。
1.2 实验方法
本文对高分子多糖黄原胶的减阻特性进行实验 研究,其中变化参数为:1)实验管道直径,共有3种 管径,分别为5、0和20mm;(2)黄原胶溶液的浓度, 其变化范围为50〜550ppm;(3)流速,文章中清水流
K
K
(2)
(5)
(3)
Re M =
圆管沿程阻力系数
A
()
DR
d/ = _ dp /— P
(8£/魯|一>
速将用流动雷诺数(Re = ^)来表征为管道断面
的平均流速;D为管径;为溶液的运动粘度),不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究,黄原 胶溶液流速将用广义雷诺数(ReM)来表征,其变化范 围为0〜50000。实验过程中需测量体积流量Q及 点的压差值心。
对减阻溶液流变体系测试表明,黄原胶溶液具有 剪切变稀性,粘度7随剪切速率y的变化符合幂律模型: y = Kyn—1(1)
在圆管流动中,y = 8V/D,根据实验数据拟合得到稠 度系数K和流型参数n,则可根据下式计算出K':
,3n + 1、
4n
有效粘度%为:
Ve =K\8V/D)n—1
进一步可求得非牛顿流体广义雷诺数ReM :
_PV2—nDn
8n—1K
n2 D5 Ap
8plQ2
式中:Ap为测试段)长度上的压力差…为 流体的密度。
范宁摩擦阻力系数
n2 D5 AP 32 pQ
同一雷诺数下减阻率DR的表达式:
:100 X (1 — f) [%](7)
J w /
式中:DR为减阻率;/为高聚物溶液的范宁摩擦阻 力系数;Jw为清水牛顿流体的范宁摩擦阻力系数。
1.3管径的率定
对范宁摩擦阻力系数公式(6)两侧先取自然对 数,然后再微分可得
f+5f—2f ⑶
式(8)等号右侧的每一项可看作各物理量单项测 量的相对误差。从上式可以看出,管径和流量的测量 误差传播系数分别为5和2,即如果进行实验的实际 管径与处理数据的理论管径相差1%,则由此项带来 的误差就达5%。因此,精确率定实验管径非常重 要,所以先进行清水实验。从理论上讲,清水的阻力 系数在层流状态下符合Hagen-Poiseuille定律:A = 64/Re,从而可以精确计算出实验管道的直径。然后 用清水进行湍流实验,根据层流实验计算得到的管 径,以及湍流实验求出的沿程阻力系数A,验证其是 否满足Prandtl-Karman定律:
-1 = 2. 01^(Re槡A) — 0.8(()
基于上述管径率定原则,对20T的自来水进行 实验,不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究,精确率定后管径分别为5. 28、11. 3和20mm。 率定结果如图2所示,从图中可以看出,用率定后的 管径处理的实验结果在层流区基本符合Hagen-Pm- seuille定律,湍流区也较好地符合Prandtl-Karman 定律,说明实验管径的精确度可以满足本实验的要 求,为进一步的减阻实验提供了可靠的依据。
2头验结果与讨论
2.1黄原胶溶液粘度随剪切速率的变化
在T=20T时,实验测量了不同浓度黄原胶水溶 液在不同剪切率y(0〜1000s-1)下的剪切粘度7。 随着剪切速率的增大,各浓度的溶液剪切粘度均逐渐 减小,体现出剪切变稀性,且溶液浓度越大,粘度越 大。基于幂律模型,对不同黄原胶溶液在不同剪切速 率y下的剪切粘度彳进行拟合,结果如图3所示。表1
表1不同浓度黄原胶溶液幂律模型拟合参数
Table 1 Fitting parameters of power low model for different concentration of xanthan gum solution
C/ ppmn = Kyn^xKnR
50V =0. 0021Y—0.04850.10210.95150.727
100n=0. 0024Y—0.05970.10240.94030.781
150n =0. 0039Y—001860.10390.88140.881
200n=0. 0041Y-00140.00410. 8860.959
250n =0. 0043Y—000930.00430.89070.935
300n =0. 0062Y-0.560.。0620. 8440.98
350n=0. .078Y—0-17760.。0780.82240.978
400n=0. .098Y—0-20610.0980.79390.988
450n==0.0113Y—0.20.1130.780.991
500n=0. .145Y—0.24740.1450.75260.99
550n=0. Q186Y—0.7170.01860.72830.99
给出了各种浓度黄原胶溶液粘度随剪切速率变化关 系的幂律模型参数,为黄原胶溶液的减阻特性实验分 析提供依据。
2.2不同浓度黄原胶溶液的减阻特性
我们在3种管径中进行了黄原胶溶液的减阻特 性实验,并将不同浓度黄原胶溶液的减阻实验结果整 理成阻力系数与广义雷诺数(A —的关系,如图4
所示。为了比较和分析,图中还绘出了牛顿流体湍流 流动特性曲线(实线T,符合Prandtl-Karman定律)和 Virk提出的最大减阻渐近线(点划线V)[14]。从图中 可以看出,不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究,实验数据点均分布在湍流减阻区(TV区), 且随着浓度的不断增大,沿程阻力系数不断减小,即 表现为浓度越大,减阻效果越好。注意到图4(c)图 有所不同,在低雷诺数时,并不是浓度越大减阻效果 越好,高浓度黄原胶溶液的沿程阻力系数反而更高, 直到雷诺数达到一定值(大约15000〜20000范围)之 后,才表现出明显的浓度效应,即浓度越高减阻效果 越好,且减阻率基本不再受雷诺数影响。
从图4中还可以看出黄原胶水溶液减阻特性有 浓度饱和现象:在低浓度时,随着黄原胶浓度增加,减 阻率明显增大;旦浓度增大到一定程度后,减阻率增 长趋势变缓,最后达到一个减阻率基本不再随黄原胶 浓度增加的饱和浓度。为具体说明,表2列出了 及〜=25000时,不同浓度黄原胶水溶液在3种管径 流动中的减阻率。从表中可以看出,浓度较低时,减 阻效果较差,随着浓度升高,减阻效率增长较快;农度 持续增加,减阻率的增长越来越缓慢,在浓度为 500ppm时的减阻率与550ppm时的减阻率已相差无 几,几乎无变化,所以认为500ppm为黄原胶溶液的 最佳饱和减阻浓度,此时,5、10和20mm管径对 应的最大减阻率分别为55. 1%、47. 7%和46. 4%。
表2不同浓度的黄原胶水溶液的减阻率(只〜=25000) Table 2 Percent drag reduction for xanthan gum solution of different concentrations (l?eM = 25000)
C/ppm5mmPipe diameter
10mm20mm
5025.23. 4%22.4%
10031.29.3%27.4%
15037. 9%33.8%31.6%
20042. 4%37.%35.7%
25046.40.9%38.7%
30049. 4%43.7%41.3%
35051. 6%46.4%43.7%
40053.2%46.8%45.3%
45054. .%47.4%46.1%
50055.1%47.7%46.4%
55055.1%47. 7%46.4%
同时,从表中数据还可以看出,相同浓度下,5mm管 径的减阻率大于其它管径的减阻率,20mm管径的减 阻率最小,由此可见,管径越小黄原胶水溶液的减阻 效果越好。
2.3不同管径中黄原胶溶液的减阻特性
为了探索管径对黄原胶溶液的减阻特性的影响, 将黄原胶溶液为500ppm时,3种不同管径下的实验 结果绘于以Prandtl-Karman形式表达的图5中。
图5浓度为500ppm的黄原胶溶液在不同管流中的阻力系数曲线 Fig. 5 The friction factor curves of 500 ppm xanthan gum solution in three pipe flows with different diameters
从图5中可以看出,管径5和10mm管道中黄原 胶溶液流动阻力系数曲线基本趋势大体一致,在雷诺 数较低时,曲线均平行于牛顿流体层流阻力系数线 (L线),当雷诺数达到一定数值之后,阻力系数曲线 均转折向上平移且平行于牛顿流体湍流阻力系数线 (N线)。因此,黄原胶溶液在较小管径(5和10mm) 中呈现出B类减阻特性[15-16]。20mm管径中黄原胶 溶液的阻力系数曲线存在3个明显的拐点,在低雷诺 数时,曲线近似线性增长,出现一个拐点,之后曲线与 N线相交于O点,O点之后阻力系数曲线与N线之 间有一个夹角上扬,雷诺数达到一定数值之后,曲线 又转折平行于N线。因此,在20mm管径中,雷诺数 较小时黄原胶溶液表现为A类减阻[15_16],雷诺数增 大到一定程度之后又表现为B类减阻。
黄原胶水溶液在不同管径中高低流速下表现出 减阻类型的差异,其原因应该是黄原胶分子与流动之 间相互作用的程度不同导致的。黄原胶属于生物高 聚物,糖链上含有羧基和硫酸酯从而具有电解性,通 常是强阴离子,它们所带的强负电荷使得高分子聚合 物受到的电荷之间的排斥力强于其它分子对它的亲 和力,从而使得聚合物分子在流体中维持着一定的平 衡拉伸状态。在小管径(5和10mm)流动中,在给定 雷诺数下流动强度(剪切)可能已经足够大来定向拉 伸黄原胶分子,使得层流-湍流转捩区后就立即足以 产生B型减阻,不存在减阻起始现象,即不需要一个 减阻起始点“O”但对大管径(20mm)来说,不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究,在给定 雷诺数下相比小管径情形剪切强度是小的,湍流绝对 尺度是大的,在层流-湍流转捩区后仍然需要剪切来 充分定向拉伸黄原胶分子,激发黄原胶溶液减阻效 应,也就是存在减阻起始现象,减阻曲线与牛顿流体 Prandtl-Karman线(N线)相交于减阻起始点“O”所 以这时表现为A型减阻;随着雷诺数的提高,大管径 中的流动剪切强度增加,足以来定向拉伸黄原胶分 子,又恢复呈现为B型减阻特性。在较高雷诺数下 黄原胶水溶液在3种大小管径管道流动中都表现为 B型减阻,摩擦阻力与管径大小无关,减阻程度也近 似与雷诺数无关。
3结论
采用实验的方法观测研究了高分子聚合物黄原 胶溶液在3种直径光滑管道流动中的减阻特性,主要 结论有:
(1)黄原胶水溶液的减阻性能与浓度有关,浓度 越大减阻性能越好,当浓度达到一定程度之后,减阻 率不再随浓度的增加而增大,基本保持恒定,在实验 范围内得到500ppm为它的最大饱和减阻浓度。
1)在低雷诺数流动时,黄原胶在直径相对较小 的管道1和10mm)中表现为B型减阻,在较大直径 管道(20mm)中表现为A型减阻,在高雷诺数时黄原 胶在3种直径管道中均表现为B型减阻。
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