第一章 绪论
1.1 课题来源和研究背景
本课题受自国家自然科学基金“通流截面积的突变对添加剂水溶液管流减阻效果的影响及其机理”面上项目支撑。 道内横截面积的突然改变或者流体流向的改变都会对流体的阻力特性产生影响。截面积突然改变有很多种形式，例如：突扩、突缩、孔板、洞塞等。孔板、洞塞即为先突缩再突扩的形式。 在清水管道中，洞塞（孔板）的应用非常广泛。例如： 1、长输管路中的局部管件：在长输管道、跨流域输水工程中，局部管件中经常会出现洞塞的情形。准确计算洞塞局部阻力损失是水力设计和满足耗能设计的关键。 2、洞塞消能：在泄洪管道中设置若干个洞塞可以形成消能室，消能室能够达到消能效果，能够降低工程的造价。经过长期的研究，我国已经将洞塞消能技术应用于黄河上已建工程的泄流建筑物中，并且取得了很好的效果。 3、血管狭窄处扩管支架：人或动物的动脉血管出现狭窄将使血压升高，现代医学主要采用在狭窄处安放支架来扩管。 4、发电设备：在核电站多级节流管中，利用洞塞可以在额定流量下产生高压，这种技术在发电设备中得到广泛的应用。 5、传热技术：在管道中设置多个洞塞，能够提高传热效率，此项技术已广泛用于制冷、汽车、和工业上。怎样利用洞塞，而又使效率达到最高，也是设计的关键所在。 6、孔板式流量计：孔板式流量计的原理是通过流动连续性与伯努利方程推到出压差与流量的关系，以此来测量流量。它的结构比较简单、成本也较低，并且拥有一定的准确度，因此，它得到了广泛的应用[1]。
...........
1.2 研究目的及意义
节约能源、节省耗材、提高效率、提升价值是我们设计以及运用某项技术的宗旨与最终目的。在现实工作中，洞塞的运用非常广泛，不论是它有利的一面，还是有弊的一面。我们需要发挥它有利的一面，减少它不利的一面。因此对于洞塞的阻力特性研究具有非常重要的意义。 在清水管道中，从单洞塞的阻力特性着手，研究在不同洞塞的情况下的阻力特性。这对管道中洞塞的尺寸设计提供了帮助与借鉴，有利于在不同情况下选择洞塞最优的方案来提高产品的效率。通过对双洞塞的阻力特性研究，得出洞塞之间相互影响的关系，有利于提高计算多洞塞之间的阻力的准确性，为多洞塞运用到实际工程应用中提供了更可靠的数据，从而提高了设计的效率，提升了产品的价值。在防洪装置、洞塞消能设计中提供参考；同样对研究发电装置、振动等方面都有参考价值。 在表面活性剂管道中，通过研究不同情况下单洞塞的局部阻力，有利于洞塞的从优选择，提高了热传导、供暖系统的效率。通过选择不同的洞塞，也可以最大程度上减小洞塞对表面活性剂减阻产生的不利影响，提高传热、供暖的效率。通过研究洞塞上游段、下游段流体的流态，可以确定上下游段的影响距离，从而为设计管道的长度以及提高最大减阻效果提供帮助。例如，在供暖系统中，可以通过此试验得出的下游段充分发展距离的结论，来设计供暖管所需要的距离，为供暖达到最佳效果提供帮助。同样，对不同性质的溶液下孔板流量计的设计与测量给予借鉴。 本文将表面活性剂减阻技术运用到内置洞塞的管流中，借鉴了国外已有的工作，结合国内已做的试验研究，对减阻剂对内置洞塞的管流阻力特性研究做了初步的探索，为以后此方面的试验研究提供帮助。
........
第二章 洞塞的阻力特性与 CTAB 的减阻特性
2.1 洞塞局部阻力成因及计算
流体在光滑的圆管内流动，在流动的方向上流体的压力逐渐下降，为了维持这一压降就必须对该流体不断的做功，从这一层次上看，流动的过程就是消耗能量的过程。压降产生的原因是由摩擦耗散引起的，我们通常将由管道壁面所引起的阻力称为沿程阻力，由此产生的压头损失称为沿程阻力损失；将流动方向突然改变流体的流动截面（如突然扩大、突然缩小、突然缩小再扩大等）所引起的阻力称为局部阻力，由此产生的压头损失称为局部阻力损失。阻力损失是管道设计所考虑的重要问题[36]。而洞塞是产生局部阻力的重要部件之一。 图 2-1 为流体在洞塞内的流型，从图中我们将洞塞局部阻力损失产生的主要原因可以分析为以下几种情况： 1、在洞塞环的上游和下游区域，由于截面的突然变化导致了流速的改变。流速从大管径变到小管径或从小管径变到大管径的变化造成了速度梯度变化，从而导致摩擦切应力增大，由此产生了能耗。 由图 2-1 我们可以看到，在截面 1-1 和截面 5-5 处，流速已经趋于稳定状态，此处的阻力只由沿程阻力组成，没有局部阻力。但是截面 1-1 和截面 5-5 之间，存在着沿程阻力损失和局部阻力损失。在 2-2 到 4-4 截面之间存在一个增速降压过程和减速增压过程。增速降压，即为由截面从大突然变小，由于此时的流量不发生改变，截面变小，速度增加，从伯努利方程看，当流体的某一点速度突然增大，那么它对应的压力就会变小；减速增压即为相反的过程。从图可以看出截面3-3 处的速度达到最大。而在此两种过程中，速度与压力的转换必将会产生能量的消耗。
..........
2.2 表面活性剂的减阻特性
表面活性剂的减阻现象是在湍流的情况下才能实现，在层流的状态下没有减阻效果。它没有改变溶质的物理、力学性质等，在层流状态下和溶质的流速分布几乎一样。通过以往各研究者研究表明，减阻还与管径、浓度、温度相关。以下主要介绍了减阻与剪切速率、浓度、温度之间的关系。马宁等[38]人研究表明，表面活性剂稀溶液在剪切速率作用下，经历了三个阶段：第一阶段为胶束自由打转的牛顿特性阶段；第二阶段为剪切诱导结构（SIS）形成的剪切增稠阶段；第三阶段为各向异性（各向异性，亦称“非均质性”。物体的全部或部分物理、化学等性质随方向的不同而各自表现出一定的差异的特性。即在不同的方向所测得的性能数值不同。）转变的剪切变稀即平稳阶段。也就是说，在低剪切速率下，球状胶束自由旋转，此时没有减阻效果，溶液呈现出溶剂的特性。溶液的表观黏度几乎为一定值。当剪切速率达到一定值后，表面活性剂的球状胶束或棒状胶束相互碰撞交联形成 SIS 结构，此时溶液的表观黏度不断增加，即为所说的剪切增稠现象，此时减阻效果不断增加。随着剪切速率的不断增大，此时剪切诱导已经完全达到饱和，溶液维持在一个相对平稳的状态。此时的表观黏度趋近于一稳定值或在各向异性的作用下不断减小最后趋近于一稳定值。当剪切速率超过一定值后，溶液中剪切诱导结构被破坏，溶液的减阻效果减弱直至消失。
.........
第三章 内置洞塞对清水管流阻力特性的影响 ........ 17
3.1 试验装置设计与制作 ....... 17
3.2 测试系统标定 ........... 19
3.3 试验过程 ........... 20
3.4 试验结果及分析 ....... 22
3.4.1 单洞塞阻力系数分析 ........ 22
3.4.2 双洞塞的阻力系数分析 .... 27
3.5 本章小结 ........... 30
第四章 减阻剂对内置洞塞的管流阻力特性的影响 ........ 32
4.1 溶液配制 ........... 32
4.2 试验过程 ........... 32
4.3 试验结果及分析 ....... 33
4.4 本章小结 ........... 42
第四章 减阻剂对内置洞塞的管流阻力特性的影响
管道中加入减阻剂 CTAB 与水杨酸钠 Na Sal 的配比溶液能够使管道的阻力减小。通过以往的试验研究发现，配比为摩尔比 1:2 的情况下减阻效果最好。因此本次试验采用摩尔比为 1:2、浓度分别为 100ppm、200ppm 和 300ppm 的溶液进行测量。测试的主要内容为洞塞段的局部阻力，以及洞塞在加入 CTAB 溶液后对管流阻力产生的影响。具体的方法是通过改变洞塞的直径比、长径比以及溶液的浓度，来测量各个工况下的局部阻力损失和沿程阻力损失。并对试验结果进行分析，得出不同洞塞的局部阻力系数、洞塞对下游所影响的距离。本试验原本准备从两个洞塞入手研究加入减阻剂后两洞塞之间的相互影响的距离；但经研究发现，洞塞的局部阻力系数随着浓度的改变而改变，因此对比两个洞塞之间的距离失去了意义。因此本章着重研究单洞塞对管流流态的变化情况。
4.1 溶液配制
溶液采用的是十六烷基三甲基溴化铵（即 CTAB）与水杨酸钠（即 Na Sal）的混合溶液。CTAB 的分子量为 365；Na Sal 的分子量为 160。CTAB 与 Na Sal 的配比为摩尔比 1：2；试验所用的浓度为 100ppm、200ppm、300ppm。配置的溶液体积为 180L。先用 50℃的水配置高浓度溶液充分搅拌，待溶液中无块状物（即充分溶解）后，将其与清水混合，搅拌 1 小时，使 CTAB 充分均匀分布在溶液中。溶液配置完成后静置 12h，在试验开始前循环 2h 方可试验。 试验装置与清水试验装置相同。但是由于 CTAB 溶液充分发展的距离要比清水流充分发展的距离要长，因此在本次试验中，进口区的距离取 1.7m，其余均与清水试验的相同。
...........
结论
本文通过对管道中内置洞塞对清水管流阻力特性的影响进行了试验分析研究。通过对清水管道中的局部阻力特性的研究，对研究洞塞消能、振动等问题奠定了基础；通过洞塞对表面活性剂减阻溶液影响的研究，为以后研究洞塞传热、以及供暖管道中如何增加传热而又能减小运输损失等问题的研究设计提供了借鉴。特别是在减阻剂溶液中，此类研究国内外研究甚少，而管道中洞塞消耗的能量以及传递的热量均是不可忽略的，因此对以后的研究具有参考价值。 通过试验研究，本文主要得出了如下几个结论：
1. 在含有洞塞的清水管道中，洞塞能够引起比较大的局部阻力，而局部阻力它与雷诺数没有关系，也就是说，局部阻力不会随着水的流速的改变而改变，只与洞塞的直径比和长径比有关。随着洞塞直径比的减小，局部阻力系数不断加大。随洞塞的长径比的增大，局部阻力系数值增大。但是，当长径比小于到某一临界值时，洞塞的局部阻力系数值反而要大。而这一临界值与洞塞产生的“缩颈”现象有关。由于试验装置的局限性，本试验没有找出临界长径比。
2. 当清水管道中内置双洞塞时，在计算总的局部阻力时，通常是将各洞塞的局部阻力系数相加来求得阻力，但此方法忽略了两个洞塞之间的影响。通过试验证明，当两洞塞越靠近，它们之间的影响越大，总的阻力系数值越小。因此在两个相互影响的范围内，需要在总的系数之前乘上一个影响系数 C。本试验得出了符合本试验范围内的影响系数值。同样也给出了符合本试验范围内两个洞塞之间相互影响的距离。因此，在设计双洞塞以及多洞塞的时候，需要考虑相互之间影响的距离，这样才能使设计更准确。
3. 在管道流体中加入减阻表面活性剂来研究洞塞段的局部阻力系数值，试验结果表明，表面活性剂在洞塞段也同样有减阻效果。减阻最大效果可达 50%。而在低雷诺数范围内（本文为 5000），洞塞段出现增阻的情况。随着雷诺数的增加，洞塞段逐渐出现减阻效果。当雷诺数达到一定值后，在一定范围内，局部阻力系数趋于一定值。当直管上游段的雷诺数超过最佳减阻效果点时，洞塞段的阻力系数值同样也开始增大。随着雷诺数的再增加，洞塞段的减阻效果消失，局部阻力系数开始趋近于清水时的局部阻力系数水平。此后不再发生变化。通过改变不同浓度发现，随着浓度的增加，相同局部阻力系数随着浓度的增加而减小。并且随着浓度的增加，达到最佳减阻效果的临界雷诺数点后移。因此，在设计管路过程中应该适当考虑表面活性剂的浓度以及雷诺数的范围。
.........
参考文献(略)