拉伸流场中界面活性剂减阻溶液的强化传热机理

界面活性剂减阻溶液传热性能恶化问题直接限制了该减阻技术在传热领域的应用，故进行其高效强化换热研究具有重要意义。目前多采用剪切流破坏溶液胶束微结构来强化传热能力，但增加很大的压损和能耗。相对于剪切流，拉伸流的临界毛细数小于1，需要较小能耗便可破坏溶液胶束结构。本项目提出了拉伸流强化减阻溶液传热的新思路，从溶液微结构出发，采用布朗动力学和直接数值模拟相结合的方法全面系统地研究拉伸状态下溶液微结构、流变特性、湍流构造、减阻和传热特性及其相互联系规律；克服商用拉伸流变仪无法测量低浓度溶液小拉伸粘度的难点，采用高速摄像仪和流变仪相结合的方法研究拉伸流变特性，为数值模拟提供条件和验证。最后进行拉伸流强化换热装置的优化设计和测试。本项目为界面活性剂减阻溶液高效强化传热提供可行的新思路；同时对溶液在拉伸状态下的微观和宏观特性的研究可进一步补充和完善界面活性剂溶液减阻理论体系，具有重要的学术和应用价值。

表面活性剂减阻溶液传热性能恶化问题直接限制了该减阻技术在传热领域的应用，故进行其高效强化换热研究具有重要意义。目前多采用剪切流破坏溶液胶束微结构来强化传热能力，但增加很大的压损和能耗。相对于剪切流，拉伸流的临界毛细数小于1，需要较少能耗便可破坏溶液胶束结构。本项目提出了拉伸流强化减阻溶液传热的新思路，从溶液微结构出发，采用布朗动力学方法全面系统地研究剪切和拉伸状态下溶液微结构、流变特性及其与减阻和传热特性之间的相互联系规律；利用周期可重复算法实现了线状胶束在平面拉伸流场下长时间动力学行为及拉伸流变特性的瞬态和稳态模拟。在施加平面拉伸流场后，胶束系统会显示拉伸应变稠化。拉伸流场对胶束有强烈的破坏作用。胶束长度随拉伸流场形变率的增加快速减小，胶束指向逐步趋近于拉伸流场的方向。胶束系统有很高的抗拉伸形变的能力，故具有很高的拉伸粘度。随着弯曲刚度的增加，拉伸粘度增幅更高，说明弯曲刚度是胶束具有高的抗拉伸形变的主要原因。减阻流高拉伸粘度可使湍流受到抑制，从而将湍动能转化为流体主流流动能量，减小了流动阻力的能耗。采用直接数值模拟和高速粒子成像测速仪相结合的办法研究了表面活性剂和微气泡添加剂减阻流动的湍流结构，发现减阻添加剂导致流动缓冲层增厚，对数律层外移，溶液的横向速度脉动受到了抑制，这验证了高拉伸粘度对湍流抑制作用导致减阻的结论。最后进行拉伸流强化换热装置的设计和测试研究，利用三种强化换热装置，对CTAC/NaSal和EG/ZA 两种表面活性剂减阻溶液的强化换热性能进行了测试和分析。研究发现阻流块状装置可有效强化减阻流换热能力，而阻流块上游端部夹角为90o时强化换热能力做好，综合换热能力可提高80%。项目还对减阻流的尺度放大方法进行了研究和验证，为表面活性剂减阻流的工程应用提供了指导。本项目为表面活性剂减阻溶液高效强化传热提供可行的新思路；同时对溶液在拉伸状态的微观和宏观特性的研究补充和完善了表面活性剂溶液减阻的理论体系，具有重要的应用价值和学术价值。