压差流阻测试装置研制及涂层减流阻作用研究

　　节能降耗是当前国内外科研攻关的重点。在水、石油、液体化学物质等流体运输领域,运输管道内部对被输送流体的表面摩擦阻力在其总阻力中占有很大比例,如在圆管流动中当雷诺数达到105,湍流度为10%时,湍流雷诺应力比层流粘性应力大100倍,并且应力越大,损失越大^[1];在长距离管道流体输送中,泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力[2]。所以减少输送流动阻力、降低能量消耗,已成为世界各国的热门研究内容,管道内部壁面节能减阻技术的开发及应用是事关建立节约型社会的重大课题之一。研究发现,管道内壁喷涂柔顺涂层,可延迟层流边界层向湍流边界层的转捩^[3-4],大大降低沿程阻力。1996年Cooper和Carpenter对复合柔顺嵌板以及各向异性的优化柔顺涂层等[5]进行研究,以期达到最大程度地降低摩擦阻力。但是,如何用方便、可靠的方法,评估管路涂层的减阻效果,为实际应用提供依据,仍然存在许多问题。在生产管线上进行试验费用高、周期长、风险大、数据离散;实验室评价的成本低、可控性强、数据可靠,但技术尚不完善。因此,实验室涂层减流阻评价方法的研究对减阻材料的研制和筛选非常重要^[6]。

　　本文作者基于压差流阻测量原理,应用高精度压力传感器结合计算机辅助测试软件,研制出管路内壁涂层减阻性能测试装置,经过计算机仿真验证和实际使用验证,设计合理,适用于各种涂层减流阻性能评价,使用方便,测量精度高。通过改变流量和入口水压连续测量管路内部流体压力变化,试验研究了在管道内壁涂敷有机高分子材料(低表面能材料、环氧色漆)的减阻性能。

　　1　实测装置与实验

　　1·1　装置的设计及原理

　　流体在管路中产生压降是由于流动阻力作用的结果,流动阻力来源于流体内摩擦力和管壁对液体的惯性力(摩擦力)。因此,对压差进行比较就能够反映出材料特性对流动阻力和能量损失的影响。采用压差检测法,具有综合评价管路对流体阻尼作用的优点,试验数据的实用性强,可以避免某些局部性和系统性误差,从而使实验结果更加精确。但是,由于管路对流体阻尼作用导致的压力变化是随管路长度的增加而增大的,因此,为了增加流阻作用效果,往往不得不加大测量管路的长度,给设备制造和实验室试件制备增加了难度。作者应用Fluent软件进行计算机仿真设计,通过控制管路长度、截面面积、流量和采用高精度压力传感器等手段,研制出可拆卸可重复涂装的管路试件流阻试验装置。

　　为了便于对试验件实施涂层喷涂工艺,以及通过改变涂层表面形貌获得最佳的减阻效果,对测试管路的形状及结构进行了全新设计,这与以往的圆形管路设计大不相同,在考虑到满足机械加工、实验环境、喷涂工艺等要求后,选用2 m长的方钢作为底材,设计出了一种具有可拆卸上板、中间测试部分为方形凹槽、两端钻进出水孔的方管结构。所设计的实验装置如图1所示。在水箱出水口处设置有过滤网,确保压力传感器及测试管路不受水流中杂质的影响;在测试管路进水管处安装有安全阀和节流阀,防止水压过高冲坏压力传感器;为抑止流体紊流干扰,在测试管路进出口处接有一定长度的刚性过渡管;在测试管路出口处设置的节流阀用来调节管路内的压力和流量。为提高压力测量精度和连续测量,选择了DG12152BZ2C2220·1型压力传感器(精度25 Pa),把压力信号转换成电信号后,通过A/D转换把电信号转换成数字量输入到计算机,应用所开发的计算机软件进行连续测量和数据处理,直接得到所需的结果,实现了实验数据采集的自动化。