添加筛网对减阻流体湍流空间结构的影响

　　流体的动量传递与热量传递存在着一定联系.在减阻流动中,由于流体的速度脉动会受到不同程度的抑制,减阻流体在减阻的同时传热也降低,甚至流体热量传递的下降程度超过流体摩擦阻力的下降程度[4],因此严重影响了区域供热供冷中在热用户处的热量导出.由于在高雷诺数下减阻流体的减阻性能会消失,传热性能得到增强,故采用添加金属筛网提高壁面剪切力来破坏表面活性剂减阻流体的胶束结构以提高其湍流特性、增强传热. Li等[5]用激光多普勒测速仪(LDV)对加网格后的减阻流体湍流特性进行了研究,得到了一些成果.虽然LDV能精确地测量流场内不同时刻各点的速度场信息,但它不适用于同一时刻整个流场速度场信息的测量,相对而言,粒子图像测速仪(PIV)系统能在同一时刻记录下整个流场的有关信息.两者结合不仅可以获得流场内各点在不同时刻的速度场信息,还可以得到整个流场在同一时刻流动中的速度分布,即流动空间结构.

　　本文应用相位多普勒测速仪(PDA)和PIV系统对二维流道中筛网后不同区域减阻流体的速度脉动分布、平均速度分布和湍流空间结构进行测量,并在相同工况下与不加筛网的水和减阻流体进行了对比.

　　1　试验装置与测量

　　试验台采用开放式闭路循环系统,储水箱的液面完全向水敞开[6],如图1所示.

　　为保证流道足够的长宽比,模拟二维流场,以透明有机玻璃流道作为测试段,其横截面为20 mm×250 mm的矩形,其中高H=20 mm.在距有机玻璃流道入口3.9 m处放置金属筛网,用来破坏表面活性剂减阻流体的胶束结构.试验中差压变送器(CECC-530)的精度为0.5%,取压孔相距3 m;涡轮流量传感器(LWGY-80A)精度为0.5%,3种不同层数的筛网(C型,20目,网孔开孔率83.3%)。

　　试验中使用的PDA测量系统为DANTEC公司产品,型号58N81.其光学探头固定在坐标架上,坐标架可以在3个方向上运动,定位精度达0.01mm.x、y和z方向速度分别由488、514.5和476.5nm的光束进行测量.

　　采用的PIV测量系统为DANTEC公司产品,型号PIV2100.测量系统被安装在可移动的坐标上,沿着主流方向移动以测量网格后测试段不同位置的速度场.试验中,PIV系统在拍摄图像时,前后两帧图像的拍摄时间间隔会随着流体速度的不同而有所变化,以获得满意的测量结果.

　　表面活性剂种类很多,是否具有减阻性能,要看其分子在溶液中溶解以后能否聚集成一种纤维状的聚合结构,它易变形、有弹性、可以使整个溶液具有粘弹性从而为非牛顿流体[7].本文所用的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵(CTAC),相对分子质量为320,其水溶液呈碱性.为了使纤维状的聚合结构变得更加稳定,溶液中一般加入一定量的酸性物质,本试验中使用的是水杨酸钠(NaSal),相对分子质量为160.采用等质量CTAC和NaSal,用普通自来水配制成减阻液.