第一章 绪论
1.1 研究背景
近年来，减阻技术研究取得了引人注目发展，该技术在工业工程及日常生活领域都已经投入了实际应用。如小区供暖系统中的介质输送、长距离流体输送如石油输送[1]中的应用等。有实践表明，在长距离输油管道中加入少量减阻剂(drag reducing agent)，能提高百分之二十左右的原油输送率,极大的提高经济效率。 本世纪以来，经济的快速发展加剧了各国对能源的需求。全球目前已知的能源如：石油、煤、天然气等大多数数不可再生资源。面对日益减少的能源储备，各国学者都对节能技术展开了研究。在长距离运输过程中，人们重点关注的是运输过程中的能源消耗问题，怎样减少输送过程中的能源消耗，是各国研究节能技术的核心问题。在对流体介质的长距离输送中，有一个问题不可忽略，即由流体黏度引起的流动阻力。流动阻力一般分为摩擦阻力和局部阻力，其中摩擦阻力在流动总阻力中占比较大，而值得注意的是，流动中局部阻力约占总阻力的 30%，局部阻力的存在对整个长距离管道输送中对能源的额外消耗也不可忽略。由于流动阻力在整个输送过程中占总运输阻力的比例很高，而泵站的动力几乎一半用于克服长距离输送中的阻力[2]。基于此，各国学者对如何减少管道流体长距离输送中的流动阻力问题展开了研究。 1948 年，TOMS 发现在流体中加入少量的添加物能大大减少其流动阻力，这种现象被称之为“TOMS 效应”，随后被各国学者称之为“减阻效应[3]”。“减阻效应”被发现的半个世纪以来，由于对节能减阻技术的迫切需要，各国学者都对减阻技术进行了大量的实验研究及理论分析，期望可以找到一种有效、可靠、经济的减阻方法。粘性减阻方法[4]是依靠改变边界材料的物理力学性质或添加减阻添加剂于流动边界层，从而改变边界层流动的运动学和动力学特性，以达到减阻目的的一门技术。Shenoy 于二十世纪末期首次探讨了使用表面活性剂(surfactant)作为减阻添加剂来实现湍流减阻的可能性。
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1.2 局部阻力特性相关研究
对于沿程阻力与管流流动结构之间的关系，各国学者已经做了大量研究，并有了比较完善及成熟的理论。 J．Nikuradse 在大雷诺数范围内对壁面粗糙的管道进行了实验研究，归结了沿程阻力系数、雷诺数及管壁粗糙度之间的关系。 L．Moody 使用工程管进行了大量定常流阻力实验研究，并绘制莫迪图；莫迪图通过曲线清晰的表达了沿程阻力系数、雷诺数及管壁粗糙度之间的关系。 此外，还有一些经典理论公式，如用于计算光滑水力管的清水摩阻系数的Blasius 经验公式，其计算范围内盖 Re=4000~100000 的湍流区域。而对于层流区清水摩阻系数的计算，则可用 Hagen-Poiseuille 理论公式进行计算。 由于流体流动边界急剧改变而流体沿管的速度分布却不能“突变”，此过程中，流体会在突变处产生脱流、漩涡，消耗主流能量，我们把这一部分损失称为局部水头损失。对于突扩及突缩流，由于其流动范围内具有回流特性，其流动并非类似直管的均匀流，因此理论求解非常困难。故关于局部阻力特性的研究，尚未完善。 Oliveria，F.T.Pinho 和 S.Rosa 等人[6]采用数值模拟的方法分析了水在突扩、喷嘴中的局部阻力特性。 赵宝峰[7-8]等人通过研究发现，在湍流流动中，突扩局部阻力系数与管径比呈正相关关系；而同管径比下，随着雷诺数的增大突扩局部阻力系数是减小的。 孙琳[9-10]通过对四种（0.41、0.42、0.64、0.81）不同的突扩及突缩比管路进行实验研究及数值模拟，发现圆管突扩及突缩局部阻力系数均随着管径比的的增大而增大。
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第二章 流动阻力基础及表面活性剂的相关特性
2.1 流动阻力及减阻基础
当具有黏弹性的流体沿一已知的边界流动时，无论是内流外流亦或其它复杂流动，由于在流体在流动的已知界面上流速u 为零，而其法向速度梯度不为零，故存在流体对流动边界的摩擦力，又可称之为壁面剪切力。对不同形式的内、外流来说，流体能量发散的数量[4]、途径以及表现形式又是各不相同的。举个例子来说，对于管流，流动能量的耗散主要表现为压力梯度或范宁摩阻系数 f 的数值。 从粘性阻力被发现的时刻起，学者们就一直在探索减少粘性阻力的方法。Prandtl 提出边界层理论后，学界关于内、外流黏性阻力的各类研究已经取得了引人注目的成果。 为研究粘性减阻是怎样一种规律，我们首先要了解流动阻力的组成。 对不同流体的流动来说，其阻力组成与数值是不同的。例如，对飞机机翼或其它绕流的外流情况来说，我们可将流动阻力分为表面阻力和形状阻力，这二者组成外流的总阻力。对轮船来说，阻力[4]可分为：空气阻力、兴波阻力和水的粘性阻力。对于水泵水轮等水力机械来说，其阻力的组成更为复杂。 总的来说，能量发散是流体阻力损失的主要原因。一般来说，粘性流体的能量耗散方式为：1、边界粘性阻力损失；2、质团撞击损失；3、由于流体流动中流线弯曲或 T-S 波的发展进而形成漩涡，流动中涡旋的存在会不断耗散主流能量，导致流动阻力增加。
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2.2 管流减阻的表达式
对管流来说，流体流动的能量的发散主要表现为沿程阻力损失。主要分两种情形：一是流体通过的横断面形态沿长不改变或无明显改变，边界面不光滑，这时，边界区域的流体能量一部分通过层流边界层粘性剪切发散;而另一部分则通过粗糙边界突出物形成局部脱流产生的附壁小漩涡发散。这两部分消散能量各占的比例随边界的突出程度而异[45]。表面活性剂分子由亲水基团和疏水基团组成[47]。若一些表面活性剂分子溶解于水中或其他具有水的性质的溶剂中，其分子的分布在最初阶段是杂乱无章的，其初次组成聚合体时表面活性剂浓度存在一个临界值，即临界胶束浓度 I（CMC1）。当溶液中表面活性剂浓度达到 CMC1 时，表面活性剂分子聚合成亲水基团在外，疏水基团在内的多分子式结构，其外形如团状物体，故我们称之为球状胶束（micelle）。值得注意的是，无论此表面活性剂是离子型或者非离子型，它的临界胶束浓度总取决于疏水分子基团的尺寸。研究发现，疏水基团的相互作用是各种胶束结构形成的驱动力，当分子聚合成胶束时，大多数单个分子的疏水部分的相互作用都将消失。随着溶液中表面活性剂浓度的进一步增加，胶束间的相互作用使胶束开始聚集，当溶液达到新的更高的某一浓度时，团状胶束结构开始向棒状胶束（rod-like micelle）转变，此转变浓度我们称之为临界胶束浓度 II（CMC2），亦可称之为转变浓度 Ct。当棒状胶束出现时，溶液呈现减阻能力。
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第三章 实验系统及实验部件的选用及设计 ...... 17
3.1 实验系统的设计思路 ...... 17
3.2 实验系统概况 ......... 17
3.3 部分实验部件的设计 ...... 19
3.4 实验参数的测量 ..... 20
3.5 清水实验对系统的验证 ........... 24
3.6 本章小结 ......... 25
第四章 突扩、突缩管路清水实验研究 ..... 26
4.1 突扩管路局部阻力特性探讨 ............ 26
4.2 突缩管路局部阻力特性探讨 ............ 29
4.3 试验结果分析 ......... 31
4.4 管径比对突扩（缩）局部阻力系数的影响 ...... 34
4.5 突扩（缩）局部阻力系数随流量的变化特性 ........... 36
4.6 本章小结 ........ 38
第五章 CTAB 对突扩和突缩流局部阻力特性的影响研究 ......... 39
5.1 实验材料及配置 ..... 39
5.2 实验原理及评价标准 ...... 40
5.3 实验结果与分析 ..... 42
5.4 本章小结 ........ 59
第五章 CTAB 对突扩和突缩流局部阻力特性的影响研究
5.1 实验材料及配置
本文采用阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为减阻剂来进行实验，配置溶液时加入 2 倍摩尔比的 Na Sal 作为辅助剂。水杨酸钠（Na Sal）能够为表面活性剂体系提供平衡离子，稳定溶液中的“棒状减阻胶束结构”。实验所用溶液按照 CTAB 与 Na Sal 摩尔比 1:2 进行配制，过程如下： 首先用最大量程为 500g 的电子天平称好所需要的 CTAB 及 Na Sal 并分别放置。准备好约 15L 温度为 50℃的水，将 CTAB 及 Na Sal 同时缓缓倒入温水中并缓慢搅拌直至溶液中无明显白色颗粒。将该溶液倒入系统储液箱中加水稀释成所需浓度后，使用小型潜水泵循环 2 小时，使得溶液充分均匀。由于 CTAB 自身特性，使得 CTAB 溶液中微小气泡非常多，需将配置好的 CTAB 水溶液静置 12 小时，使其达到热力学平衡后再进行实验。
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结论
本文通过实验对突扩（缩）的清水局部阻力特性及加入 CTAB 后突扩（缩）局部阻力特性进行了探讨，实验结论如下：
1）随着管径比的增大，突扩（缩）清水局部阻力系数是增大的。突扩（缩）局部阻力系数的大小主要取决于上下游管径比，其数值大小随着雷诺数的改变会发生略微变化。本文通过实验得到突扩对清水流下游流动的影响范围约在 15 倍下游管径左右。
2）加入 CTAB 后，在不同管径的突扩管中，随着雷诺数改变其局部阻力系数在低雷诺数下比纯水小，随着雷诺数增大而在小范围内超过水但最终恢复与水一致。随着 CTAB 浓度的增大，减阻流体在突扩中的减阻能力越难被破坏。本文所测得的在加入 CTAB 后突扩流最大增阻率约为 9%（300ppm，K-1.519，Re=45000）；最大减阻率约为 40%（300ppm，K-1.519，Re=12000）。
3）突缩局部阻力系数在低雷诺数区域高于清水流，在下游管存在明显减阻时，突缩局部阻力系数大于清水流；在下游直管段减阻消失但上游存在明显减阻时，突缩局部阻力系数小于清水流，CTAB 浓度的增大使得突缩流减阻需要更大的“减阻起始雷诺数”。本文所测得的在加入 CTAB 后突缩流最大减阻率约为 65%（100ppm，S-1.519，Re=38000），已经接近该浓度 CTAB 水溶液在上游直管段的减阻效果。
4）CTAB 水溶液在突扩（缩）处的减阻能力与管径比存在联系。即随着管径比的增大，减阻流体对突变处的影响将会变小（不论是减阻亦或增阻影响），本文认为存在一个极限管径比使得 CTAB 水溶液对突变处流动阻力的影响不再随管径比的增大而减小。
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参考文献(略)