表面活性剂湍流减阻研究进展

魏进家，黄崇海，徐娜

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）



表面活性剂湍流减阻研究进展

魏进家，黄崇海，徐娜

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）

摘要：表面活性剂较高分子聚合物在流体管道输运中具有可逆机械降解特性的优点，更适用于存在高剪切的场合以及封闭的循环回路进行减阻，但存在对其复杂流变特性及减阻机理认识不完善的问题，使得其在减阻领域的应用受到了限制。本文回顾了作者近年来在表面活性剂溶液微观结构、复杂流变学特性、湍流结构以及其与减阻和传热性能之间的内在联系方面的研究进展；介绍了表面活性剂减阻和壁面微沟槽协同作用减阻的研究成果；指出通过拉伸流的方式能够在压损较小的情况下更有效地提高表面活性剂溶液的传热性能。针对表面活性剂现有研究的不足，本文提出4条建议作为表面活性剂的未来研究方向，分别为开发环境友好型高效表面活性减阻剂、强化换热装置的优化设计及优化布置、表面活性剂与其他减阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性剂在尺度放大、防腐和减阻持久性方面的实际工业应用研究。

关键词：表面活性剂；湍流；流变学；传热

第一作者及联系人：魏进家（1971—），男，博士，教授。主要从事非牛顿流体减阻及强化传热方面的研究。E-mail jjwei@mail.xjtu.edu.cn。

在长距离管道流体输运中，绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。对于能源紧缺的今天，尤其是像我国这样处于发展中且人均资源占有量较低的国家来说，节约能源以及能源的高效利用已经成为了当前研究的重点和亟待解决的问题。减阻添加剂的使用能极大地减少流体在壁面的摩擦阻力，减阻效果高达80%，具有重要的节能价值。相比于聚合物减阻剂，表面活性剂具有可逆的机械降解性质，在高剪切力场合以及封闭式循环系统如集中供暖系统中有着极大的优势以及更为广泛的应用前景[1-4]。

由于表面活性剂溶液在不同的剪切力作用下，其内部的单体分子会形成不同形状的微观胶束结构，比如球状、棒状、蠕虫状、网状等，而这些不同的微观结构又能够影响表面活性剂溶液的流变性能，使其在不同剪切力下表现不同的流变特性；而流变特性又会影响流体内部的湍流结构，从而进一步影响表面活性剂溶液的减阻性能。因此，为了认识表面活性剂溶液的内在减阻机理，对其微观结构、流变特性及流体内部湍流结构的研究成为了国内外众多学者关注的焦点之一。

然而，表面活性剂在高效减阻的同时，其换热性能将会极大地恶化，这主要是由其内部微观结构对流体湍流强度的抑制作用造成的，从而导致了表面活性剂溶液传热性能恶化的现象。因此，为了进一步扩大表面活性剂在换热领域的应用，其强化传热也成为了研究的焦点。

当表面活性剂溶液发生减阻作用时，其流体内部的湍流涡结构会受到由表面活性剂形成的剪切诱导结构的抑制，从而使湍流结构发生改变。这一特点则为通过影响湍流结构实现减阻的其它减阻方法提供了可能的条件，为表面活性剂与其它适当的减阻方式相结合的耦合减阻研究提供了指导。因此，表面活性剂与其它减阻方式耦合进行高效湍流减阻的研究也是当前的研究热点。

综上所述，为了全面认识表面活性剂溶液的减阻机理，提高其在节能方面的应用价值和范围，就需要对其微观结构、流变特性、减阻特性、湍流结构特征、强化传热以及与其它减阻方法协同作用的耦合特性进行系统的研究。本文对作者近年来在表面活性剂湍流减阻方面的最新研究进展进行综述，并与其它同类研究进行了对比分析。首先总结分析表面活性剂溶液结构、复杂流变特性和湍流结构及其与减阻和换热性能之间的内在联系，然后阐述表面活性剂和壁面微沟槽协同作用减阻性能与机理，并介绍表面活性剂减阻的实际工程应用，最后对表面活性剂减阻在今后的研究重点提出建议。

1　表面活性剂溶液的流变特性及其微观结构

1.1 表面活性剂溶液的剪切黏度

静态溶液中，表面活性剂分子可以自组装形成不同形式的胶束结构。常见的胶束结构有球状、棒状（又叫做蠕虫状、丝状等）、囊泡状、层片状以及网状等[5]。剪切条件下，表面活性剂胶束体系会形成剪切诱导结构（SIS）或叫剪切诱导相（SIP），引起剪切黏度的增大，即所谓的剪切增稠现象。表面活性剂溶液中剪切诱导结构的形成与其湍流减阻能力有直接关系，但迄今为止，对于减阻机理的认识仍不够深入和彻底。表面活性剂溶液中胶束组织的状态随浓度、温度和剪切速率而不同，对应的剪切黏度也不同。为了深入研究表面活性剂溶液剪切黏度的变化规律，对不同浓度的十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠体系（CTAC/NaSal）进行了一系列的流变测试。

根据魏进家等的测试结果[6]，低浓度表面活性剂溶液的剪切黏度与水接近，显示了牛顿流体特性；但对于较高浓度溶液，所有测得的剪切黏度均比水高。对于一定的剪切速率，不同浓度溶液均存在一个临界温度Tc。在Tc之上，剪切黏度快速下降至水的黏度值，且温度对剪切黏度的影响在Tc之前并不明显。一般地，在Tc之前，剪切黏度随剪切速率的增加而减小，显示了剪切稀化特征。溶液出现较高的剪切黏度是由于其内部形成了胶束网状构造，而临界温度则是对应于网状结构开始遭到破坏的温度。此外，利用非线性应力项的Giesekus模型对剪切黏度进行模拟计算，并将计算值与实验数据进行对比，以考察该模型的适用性。结果表明，通过选择合适的模型参数，Giesekus模型能很好地拟合实验数据。

马宁等[7]对中等浓度的CTAC/NaSal水溶液进行了测试。结果表明，一定浓度范围内溶液的剪切黏度随剪切速率的增大可以分为剪切稀化-剪切增稠-剪切稀化3个阶段，且增稠段随着浓度增大不断缩短甚至消失。也就是说，剪切诱导结构的形成随浓度升高越来越不明显，由此，对于高浓度的减阻溶液来说，剪切诱导结构可能不是引起减阻现象的必须因素。但总体来说，剪切黏度随浓度不断升高。通过对剪切黏度与剪切速率之间的拟合可发现，对于剪切黏度具备完整的3个变化阶段的溶液来说，溶液在增稠前后的剪切黏度与剪切速率的对数成正比。

考虑到现有的试验中，通常是给表面活性剂溶液施加一个不断增大的剪切应力/速率来研究其黏度的变化，这就存在一个问题：由于剪切应力/速率是不断增大的，一些微弱而短暂的黏度变化很可能会被掩盖掉。基于此，徐娜等[8]测试了非常低浓度的CTAC/NaSal水溶液的剪切黏度在恒定剪切速率下随时间的演化过程。此外，在研究表面活性剂溶液增稠机理时，大部分研究者都只关注“诱导时间”以后剪切黏度的变化情况，而很少有人注意到施加剪切的初始阶段溶液黏度的瞬间变化，这其实是不合理的。因为黏度初始阶段的变化是后续一切变化的基础，抛开增稠的基础去研究增稠机理是不全面的。因此，徐娜等的实验完整记录了施加剪切后溶液黏度的变化情况（0～10000s），以期能从根本上弄清表面活性剂溶液剪切黏度随时间变化的机理。根据测试，剪切黏度的演化可以分为5个阶段（图1）：弱剪切黏度增长期（第Ⅰ阶段），弱剪切黏度下降和稳定期（第Ⅱ阶段），黏度急剧增长期（第Ⅲ阶段），震荡调整期（第Ⅳ阶段），基本稳定期（第Ⅴ阶段）。

图1 表面活性剂溶液剪切黏度演化曲线(1000µL/L，20ºC，5s−1)

第Ⅰ阶段中，在剪切作用的拉扯下，胶束的构形熵下降，导致单个胶束长度增加，胶束缠结程度升高，由此导致了剪切初期表面活性剂溶液黏度的弱增长。然而在以往的研究中，此黏度弱增长现象经常被忽略。不可否认，忽略此现象对研究后期剪切诱导时间并没有太大的影响，然而这个阶段黏度的增长却对研究后期显著的剪切黏度变化的机理有着很大的影响，因为后续黏度的一切变化均以此阶段为基础。第Ⅱ阶段中，剪切黏度先下降，随后达到稳定，其中，黏度的下降是由于胶束解缠引起的。随着剪切的进行，溶液中逐渐形成一些胶束团，这些胶束团的形成消耗掉了来自流变仪的剪切能，从而使溶液的剪切黏度能够维持在一个基本恒定的状态。随着数量的增加，这些胶束团之间不可避免的相互融合形成更大的胶束团，当融合后的胶束团的体积超过一定尺度后，溶液中快速形成大的剪切诱导结构，溶液的剪切黏度随之迅速增大，这就是第Ⅲ阶段。根据作者的研究结果，胶束团在剪切内壁面上的“粘-滑”作用引起流体的动力不稳定，导致胶束缠结增多，继而加剧了流动不稳定性。这种反馈作用最终导致了大型胶束剪切诱导网状结构的形成。可以肯定的是，胶束网状结构的形成是非各向同性的。而短时间内形成的剪切诱导网状结构必然存在因为交联不均匀而导致的结构缺陷，在内剪切壁面附近胶束的“粘-滑”作用下，因为应力集中就形成了剪切诱导网状结构的破裂和重组过程。第Ⅳ阶段中，剪切黏度的变化非常复杂，黏度的增大或下降，主要看剪切诱导网状结构的发展情况（跟溶液的浓度、剪切速率和温度有关）。第Ⅴ阶段中，剪切黏度在不断的震荡调整后达到一个基本稳定值，此时溶液中形成充分发展的剪切诱导网状结构。

1.2 温度和剪切的协同作用对表面活性剂溶液剪切黏度的影响

影响表面活性剂溶液中胶束结构的因素主要有：表面活性剂分子的结构、溶液的浓度、反离子的种类及浓度、温度、溶液的pH值，以及溶液受到的剪切强度等。而在实际应用中，表面活性剂溶液是确定的，因此影响其溶液中胶束结构的主要因素是温度和剪切强度。过去的几十年里，对于剪切作用影响的研究已经非常深入和广泛；同样，对于温度作用的研究也非常多。温度对表面活性剂的溶解度影响很大，当温度低于一定值时，表面活性剂分子会从溶液中结晶析出。对于非离子型表面活性剂溶液，这个析出温度称为浊点。而对于离子型表面活性剂溶液，早期研究认为这个析出点应该是所谓的Krafft点。但是后期研究表明，即使温度低于Krafft点时，在没有外力作用下，表面活性剂溶液依然能够保持清澈无晶体析出。所以对于离子型表面活性剂溶液，真正的结晶析出温度低于Krafft点。当温度高于结晶温度但低于Krafft点时，离子型表面活性剂溶液处于一种类似凝胶态的亚稳状态[9-10]。研究表明，当温度高于浊点或Krafft点时，随温度升高表面活性剂溶液中的胶束会从有序态变为无序态[11]，或者从高度有序态变为低度有序态[12]，但从低度有序态向高度有序态的转变也可能发生[13]。

在已有的对剪切和温度独立作用的研究基础上，近几年的研究着眼于温度和剪切的共同作用对胶束结构及转换的影响，即在恒定的剪切作用下不断升高温度来测试表面活性剂溶液中胶束体系的反应。从2009年至今，东京都立大学的一批学者对高浓度的非离子型表面活性剂溶液（CnEm/水体系，14≤n≤16，4≤m≤7）进行了一系列的研究[14-16]。研究表明，剪切作用下，随温度升高，溶液中胶束结构能够从层片状转变为“洋葱”状，而且随温度进一步升高，“洋葱”状胶束甚至会二次转变为层片状。但是对于离子型表面活性剂溶液的此类研究很少。只有CAPPELAERE等[17]曾经测试过十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的亚浓溶液。他们发现，剪切作用下当温度升高到一定程度后溶液中会形成向列型液晶相，随温度进一步升高此相消失。虽然本质上温度作用和剪切作用都是给表面活性剂分子提供能量来影响其行为，但是两种能量的作用方式完全不同。升温是在微观尺度上给分子提供热能，使得分子“主动”进行更强烈的无规则运动；而剪切则是在宏观尺度上给分子提供动能，驱动分子进行更快地定向运动。因此，相比于剪切或温度作用的单独影响，在剪切和温度共同作用下，表面活性剂溶液中胶束体系可能出现更为细微和复杂的变化。为此，徐娜等针对非常稀疏的（0.78～3.13 mmol/L）CTAC/NaSal水溶液进行了一系列此类试验。研究表明，对于同一浓度的溶液，不同的剪切速率和升温速度下胶束的转变过程差异很大，如图2和图3所示。值得注意的是，在合适的浓度、剪切速率和升温速度下，溶液中胶束的转变很明显的分成两个阶段，如图2～图4中具有“双峰”的黏温曲线。针对此试验结果，建立了分子尺寸变化与剪切和温度的作用之间的关系式。从中可以发现，不管是剪切还是温度，对胶束的转变都具有两面性。因此胶束尺寸的变化取决于这两个作用强度的“匹配”程度。

1.3 表面活性剂溶液剪切黏度与胶束聚集数关联分析

图2 升温速度为0.0167 ºC/s时，浓度为1.25 mmol/L的溶液在不同剪切速率下的黏温曲线

图3 剪切速率为5s-1时，浓度为1.875 mmol/L的溶液在不同升温速度下的黏温曲线

图4 剪切速率为5s-1，升温速度为0.0167 ºC/s时，不同浓度溶液的黏温曲线

胶束聚集数（Nm）是表面活性剂溶液在理论研究和实际应用中最基本、最重要的参数之一。表面活性剂溶液剪切黏度的变化伴随着胶束聚集数的改变，因此获取胶束聚集数与剪切黏度之间的关联关系具有非常重要的意义。胶束聚集数的常用测定方法有光散射法和荧光法。ZHOU等[18]采用稳态荧光猝灭法测试了不同表面活性剂溶液的胶束聚集数随温度、溶液浓度、抗衡离子比率的变化规律，并推测了溶液内部胶束结构的对应变化规律。

实验中发现，随着表面活性剂溶液浓度的增加，胶束聚集数随之增加，这个过程中胶束聚集数的变化有两个显著特征：第一，胶束聚集数阶跃性变化，并且对于十二烷基硫酸钠溶液，Nm发生突变的浓度区域与用Cryo-TEM观察到胶束形状改变的浓度区域基本吻合；第二，十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠溶液在低浓度下（约4～10倍于临界胶束浓度），Nm与表面活性剂溶液浓度似有线性相关性。而这个浓度区域恰恰是很多表面活性剂溶液的减阻工作区。试验还发现表面活性剂分子的聚集有无机盐效应，即Nm随着NaCl浓度的增加而增大，这是因为NaCl能促进表面活性分子的自组装。但是减阻率并不会随着反离子（如NaSal）浓度的增加而持续增大，也就是说并不是胶束聚集数越大减阻效率越高。

1.4 表面活性剂溶液的拉伸黏度

拉伸黏度的测量相对于剪切黏度困难的多，在流变学中一直是一个难点。对于高黏度的高分子和表面活性剂溶液，有一些有效的测量方法如均匀拉伸、收缩流、开式虹吸等，但这些方法都不适合于稀疏的低黏度表面活性剂溶液。FULLER等[19]第一次提出了对向喷嘴模型来测量低黏度溶液的拉伸黏度。但通过对向喷嘴装置测得的值并不是流体的实际拉伸黏度，它还包含动压喷嘴的剪切和流体惯性等的影响。DONTULA等[20]更进一步指出流体的剪切黏度过低时，采用对向喷嘴装置测得的拉伸黏度并不可靠。所以建议对向喷嘴装置用作定性测量而不是定量测量拉伸黏度。

尽管如此，拉伸黏度目前最佳的可选测量装置仍是FULLER等首次提出的RFX流变测量装置，魏进家等[6]利用此装置测试了一组CTAC/NaSal水溶液的拉伸黏度，如图5所示。可以看出，拉伸黏度在一定程度上受喷嘴尺寸的影响。这可能是由于低浓度表面活性剂溶液具有非常复杂的流变特性，测量本身往往会引起测试样品的性能变化。温度对拉伸黏度在大的拉伸率下的影响很小。在小拉伸率时，拉伸黏度随温度增加而降低。浓度对拉伸黏度的影响也很小。为了比较，图5中也给出了RFX所测得的水的数据。可以看出，所测表面活性剂溶液与水的拉伸黏度没有明显的差别。对于水得到的拉伸黏度与拉伸率有关，这是不合理的，因此对向喷嘴装置确实只能用作定性测量拉伸黏度。如何能够精确定量测量低剪切黏度下表面活性剂溶液的拉伸黏度并与减阻现象相联系还是目前面临的一个挑战。

图5 拉伸黏度与拉伸率的关系

1.5 自由面旋转流表征表面活性剂溶液黏弹性的方法

表面活性剂的湍流减阻现象是由其黏弹性所决定的，借助对黏弹性的测量可以进行减阻表面活性剂溶液的判别。但目前商用流变仪无法测出低浓度表面活性剂溶液的第一正应力和弹性模量。为此，SIGINER提出了一种利用自由面旋转流的自由面形状来获取黏弹性流体本构方程信息的思想[21]。魏进家等[22]借用这一思想，利用PIV对CTAC/NaSal水溶液进行测试。试验发现，表面活性剂溶液自由面中心的下陷深度h＇与水相比非常小，且随表面活性剂溶液的质量分数增大而减小。虽然试验中表面活性剂溶液的弹性数非常小，但弹性仍对自由面的形状和二次流的产生有很大的影响，因此利用自由面旋转流中自由面形状对微小弹性的敏感性可以代替流变特性测量，来进行表面活性剂溶液减阻能力的判断，如图6所示，在自由面中心下陷深度突然变小的临界状态即为产生减阻性能的开始。因此，一个临界h＇值可用于判断引起减阻的黏弹性阀值，从而克服小黏弹性情况下利用商用流变仪测量无法判别表面活性剂溶液有否减阻能力的困难。

1.6 表面活性剂溶液的分子动力学和布朗动力学数值模拟

表面活性剂溶液流变性和微结构的实验研究为理解减阻机理提供了参考。但实验方法在同时测量流变性瞬态变化与胶束微结构的变化上存在一定困难。模拟方法从胶束微结构出发，研究随胶束运动系统应力的变化，从胶束微结构变化获取流变特性。目前的模拟主要采用分子动力学方法模拟胶束的形成，用布朗动力学方法模拟胶束如何形成网状结构以及其对流体流变特性的影响。

为了成功模拟表面活性剂溶液内部的网状构造，魏进家等[23-25]采用一个组合势作用模型来描述溶液内棒状胶束相互之间的作用。将表面活性剂视为一个悬浮在黏度为ηs的连续流体介质中的N个刚性棒状胶束所构成的系统，即假定棒状胶束是由n个均匀分布的直径为σ的球体依次线性连接而构成的刚性棒，如图7所示。

图6 自由面中心下陷深度与减阻性能的关系

图7 棒状胶束模型及其相互作用示意图

棒状胶束之间具有势作用力，棒状胶束和连续介质之间具有水力学作用且棒状胶束受到溶剂的布朗力作用。网状胶束结构可以看作是由棒状胶束通过端部的相互联结所形成，为成功模拟网状结构的形成，对于两棒端部球体之间的作用采用Leonard-Jones 势模型；为了防止胶束相互重叠，对两棒内部球体之间的相互作用采用具有排斥作用的软球势模型。这种组合的势作用模型称为WK势作用模型，这与传统的布朗动力学数值模拟所采用的单势作用模型不同。结果显示，在低剪切率下可得到表面活性剂溶液内部的网状胶束结构，该网状结构在高剪切率下遭到破坏。而且随剪切率增大，棒状胶束逐步变得与剪切流场流动方向一致。剪切黏度和第一正应力系数呈现剪切稀化特征，在加入WK势作用时数值明显增大，而且此特征与棒状胶束随剪切率的增大指向流动方向的现象密切相关。剪切黏度和第一正应力系数随浓度增大而增大。

图8 胶束的刚性棒状模型

图9 施加流场后胶束系统剪切应力随时间的变化

在此基础上，张成伟等[26]采用胶束的持久长度[27]作为刚性胶束棒的长度将传统的球链模型改为棒状模型（图8），结合布朗动力学方法，对表面活性剂稀溶液胶束体系进行了研究（图9和图10）。与球链模型相比，棒状模型的优势在于：一方面可自然表示持久长度与弯曲刚度的定量关系；另一方面，单个胶束棒可代表多个球形粒子，从而减少了计算粒子数，并进而节省计算时间。针对以往的胶束断裂能模型，提出了一种胶束间的断裂能模型，从而克服了胶束受力在连接点的不连续问题。对于拉伸流动，由于流场的拉长与压缩，到压缩方向尺度小于计算最小允许尺寸时，计算被迫停止而在大拉伸率下难以得到稳定状态。对于平面拉伸流采用Kraynik-Reinelt条件实现了拉伸流动的周期可重复性，从而实现任何拉伸率下的足够长时间的计算以达到稳定状态，获取稳态拉伸黏度。结果显示，在低剪切率或拉伸率下，胶束之间可以相互连接形成网状结构。随着剪切率或拉伸率的变大，网状结构逐渐被破坏。高断裂能可提高胶束结合强度，从而增强黏弹性和拉伸黏度。剪切率或拉伸率的增大，对剪切或拉伸稀化率的影响较小；胶束柔性的增加，会加剧溶液的剪切稀化。相比之下，刚性棒状模型比球链模型可更好的预测稀疏表面活性剂溶液的流变性。

图10 对应于图9中a～c 3个特征点处的胶束系统结构

2　表面活性剂溶液减阻特性

传统的表面活性剂大致可以分为阳离子型[28]、阴离子型[29]、两性离子型[30]和非离子型[31]等，它们彼此之间有着相似的减阻特点，但却有着各自不同的减阻效果和减阻机理，这些机理由于减阻的复杂性至今仍未能完善，但现有的研究却能够对往后的研究提供一定的数据和理论支持。

对于表面活性剂溶液减阻性能的研究以实验研究为主，至今已经取得了大量的实验研究结果[32-36]，同时也存在着一些仍需解决的问题。对于表面活性剂，其分别存在着一个最低的和最高的减阻临界温度，一旦温度高于最高临界温度值时，则较高的布朗热力学运动使得表面活性剂分子形成的剪切诱导结构发生断裂破坏，从而使其减阻性能急剧下降；而当温度低于最低临界温度值时，表面活性剂分子不够活跃，因此很难形成剪切诱导结构，这也会导致其丧失减阻性能。对于当前研究中使用的绝大部分的表面活性剂，其最高临界温度随着表面活性剂浓度的增加而增加，一般大于25℃，比较容易实现较高临界温度条件[33]；然而，对于最低临界温度，传统的表面活性剂最低一般到15℃[37]，这就导致了低温条件下难以实现减阻的难题。这一问题将会极大地增加管路运输特别是在冬季情况下的泵功消耗。

当今对于表面活性剂的减阻研究，大都集中在阳离子型表面活性剂上。然而，阳离子型表面活性剂一般都带有一定的毒性，因此限制了它的应用。而与阳离子型表面活性剂相比，两性离子型表面活性剂具有较高的生物分解性能和较小的毒性，因此具有很高的实际工业应用价值。传统的区域供冷系统中，常用冷却到5℃的水来作为工作流体从总站出口处开始进行整个冷却循环，而其返回温度大约为15℃。而通过使用质量分数为20%的甘醇与水配比作为工作流体，可以使其初始温度达到–5℃，如果其返回温度也为15℃，则其传热温差将比传统方式要高10℃。这表明需要更小的流量即可实现相同的换热效果，导致泵功的减少，达到节能的目的。本课题组魏进家教授和日本东京理科大学川口靖夫教授与美国俄亥俄州立大学Zakin教授等[38]共同开发出了一种新型的低温减阻剂——两性离子型表面活性剂N，N，N-三甲胺-N’-油酸酰亚胺（文中简称为ZA），并配以质量分数为20%的甘醇不冻液（EG/水）为溶剂，加入NaNO2以提高防腐性能。为了测试这种两性表面活性剂溶液在不同温度和浓度下的减阻特性，分别进行了浓度从50～1000µL/L，温度从–5℃到25℃的减阻性能测试，其中温度为–5℃下的实验结果如图11所示。图12则是魏进家等[37]获得的传统表面活性剂CTAC的减阻性能曲线。其中雷诺数Re是基于溶剂的黏度进行计算的。

图11 新型两性离子型表面活性剂减阻性能曲线

图12 0.234 mmol/L CTAC减阻性能曲线

对比图11和图12可以看出，对于新开发的两性离子型表面活性剂ZA/EG/水和ZA/NaNO2/EG/水，其减阻曲线与传统的表面活性剂减阻曲线类似，具有与传统表面活性剂相同的特点。对于某一浓度的表面活性剂，其摩擦系数先随着雷诺数的增加而减小（即减阻率增加），然后会达到一个最小值（即减阻率达到最大），如果再继续增加雷诺数，则摩擦系数就会回升（即表面活性剂开始丧失减阻性能），直至回到与牛顿流体一样的摩擦系数值。曲线回升时对应的雷诺数就称之为临界雷诺数Rec。同时，图11还反映了临界雷诺数随着表面活性剂浓度的增大而增大。图12则反映了同一浓度下，表面活性剂的临界雷诺数与温度的关系：临界雷诺数随着温度的增加，先增加后减小直至为零，而临界雷诺数转折所对应的温度即为临界温度Tc。TAMANO等[39]在对非离子表面活性剂的减阻性能测试中也同样发现了类似的临界雷诺数现象，同时他们还将非离子表面活性剂与有机酸混合来提高临界雷诺数和减阻溶液的有效运行时间。

与传统表面活性剂只能在较高温度下才有减阻效果不同，新开发的两性离子型表面活性剂还具有低温减阻的特性。通过对比图11和图12可以看出，对于新开发的两性离子型表面活性剂ZA/EG/水和ZA/NaNO2/EG/水，在温度为-5℃下仍能展现出高达65%以上的优良的减阻效果，与传统的表面活性减阻剂相比，在减阻效果上相差不大，甚至在文献[38]中还指出了在200µL/L浓度下能获得高达83%的减阻效果，这还要优于部分传统减阻剂的减阻效果，因此被CHARLIES教授指出这是减阻科学领域的重要进展[40]。这种新型低温减阻剂的开发，不仅解决了管路输运过程中的低温减阻难的问题，同时也提高了其在换热领域的应用价值。在换热系统中，相比于传统的最低减阻温度只有15℃的减阻剂来说，最低温度至少为-5℃的新型两性离子型表面活性剂增大了传热温差，使得在换热量相同的情况下所需要的液体流量变少，直接减少了泵功，不仅在管路输运过程中能通过高效的减阻达到节能的目的，还能通过减少泵功来进一步减少能源消耗。

3　湍流特征

虽然在表面活性剂减阻实验方面取得了大量的研究成果，但由于表面活性剂流体的复杂性，其减阻机理至今仍未清晰。为了能进一步地认识表面活性剂的减阻机理，对其湍流结构的研究必不可少。近年来国内外众多学者通过采用PIV、LDV和数值模拟等方法对表面活性剂减阻流动的湍流特征进行了大量的研究[41-43]，成功地揭示了表面活性剂减阻的部分机理，同时也得到了一些新的发现。

本课题组魏进家教授和日本东京理科大学的川口靖夫教授等为了更清楚地了解表面活性剂的内部湍流结构，也用PIV、LDV及数值模拟等方法进行了大量的研究[44-47]。其中图13为文献[45]中给出的由魏进家等在Re=5000时，分别对牛顿流体甘醇水溶液EG/水与50μL/L浓度、温度为-5℃的新型低温表面活性剂流体O12/EG/水的内部湍流结构进行的PIV测试结果。从图13(a)中可以看出，对于甘醇水溶液这一牛顿流体来说，可以明显地看到其内部有着各种尺度且数量较多的湍流涡运动，而且也能清晰地看到流体的上冲和下扫现象。湍流涡的剧烈运动导致了通道中心的高速流体与近壁处的低速流体之间剧烈的动量交换，使得流体内的雷诺剪切应力很大，能量耗散严重。

图13 x-y平面内的瞬时速度脉动分布

然而，对于新型低温表面活性减阻剂而言，图13(b)中的湍流运动明显受到了极大地抑制，流体变得十分温和，湍流涡尺度变大，且数量较少。同时流体的上冲和下扫现象也受到了很大地抑制，表明了高低速流体之间的动量交换变少了，从而导致了垂直壁面方向和展向湍流脉动的减少以及非常小的雷诺剪切应力，最终使得溶液出现减阻现象。

研究者们在进行实验研究的同时，也在尝试着通过数值模拟的方法来研究表面活性剂溶液的湍流结构。但因表面活性剂复杂的流变和减阻特性，其精确的模拟研究十分困难，现有的表面活性剂溶液流动模拟主要是采用Giesekus本构模型来进行描述，而该模型参数是从流变测量数据分析拟合得到。然而，数值模拟结果与实验条件下的结果相差较大[48-52]。这可能是因为流变研究是在层流状态下进行的，得到的有关参数也是层流下的参数，与实验研究中的湍流状态不太一致造成的。虽然模拟结果无法实现与实验结果在定量上的一致，但在定性上却能够反映出相同的变化趋势，因此对研究表面活性剂减阻机理仍有着十分重要的意义。

图14和图15分别为文献[48]给出的表面活性剂溶液和牛顿流体的平均速度和剪切力分布的直接数值模拟与实验结果对比图。从图14中很明显地看到两者之间相差较大，但趋势一致。对于表面活性剂溶液，其黏性底层速度梯度减小，对数律层上移。因此，数值模拟可以从定性上对表面活性剂溶液的减阻机理进行研究，减少因实验所需的高成本消耗，并能为实验提供指导。

图14 平均速度图

从图15中则可以看出牛顿流体和表面活性剂溶液各个剪切应力对总剪切应力的贡献情况，由于实验中只能得到雷诺剪切应力，故图15(b)中仅有雷诺剪切应力的对比。从图中可以看出，虽然实验与模拟结果存在差异，但趋势一致。从图15(a)可以看到，相比牛顿流体，表面活性剂多了一个黏弹性剪切应力的贡献，而黏性剪切应力在近壁处受到极大的抑制，表明了近壁处的流体速度梯度的减小；同时雷诺剪切应力整体受到极大的抑制，甚至在黏性底层内雷诺剪切应力几乎可以忽略。从这可以得出：表面活性剂对摩擦阻力有双重作用，其一是引入了黏弹性剪切力，增加摩擦阻力；其二是抑制了湍流涡旋结构，减小了湍流剪切应力，从而减小摩擦阻力，两者的博弈决定了表面活性剂溶液的减阻性能。

近年来，LI等[52]分别对黏弹性流体湍流流动的动量方程进行空间滤波和对构象张量传递方程进行时间滤波的方法，提出了一种新的基于拟序结构和时间近似去卷积的混合子网格模型（MCT SGS）。该模型在保证模拟结果与早期的DNS结果相同准确度的同时，还能减少数值模拟的时间，这为黏弹性流体的模拟研究提供了新的方法和思路。

图15 剪切力分布

4　强化传热

表面活性剂具有优良的减阻性能及其可逆的机械降解特性，有利于其在实际封闭式循环系统中的应用，尤其是集中供热/供冷系统的应用。然而研究发现，表面活性剂溶液在减阻同时传热性能恶化，这一现象引起了国内外学者的广泛关注，同时也对表面活性剂减阻时换热性能下降进行了大量的研究[53-54]，发现主要原因是因为表面活性剂发生减阻时所形成的剪切诱导结构，使得流体内部尤其是近壁处的湍流涡结构受到极大地抑制，使得流动发生层流化转变，黏性流动层厚度增加，对数律层上移，法相速度脉动受到极大地抑制。而近壁处流体的紊乱程度减弱则会使流体与壁面的对流换热受到极大地抑制，从而导致表面活性剂溶液的传热性能恶化。这一特点极大地限制了表面活性剂减阻在换热领域的应用。因此，如何在需要的时候提高表面活性剂的传热性能也成为了国内外研究者们关注的焦点。强化传热的方法很多，在早期主要是采用各种装置通过剪切的方式来破坏表面活性剂的剪切诱导结构的方法降低其减阻能力，提高传热能力。然而通过剪切流场的方式虽然使表面活性剂减阻溶液的传热能力在一定程度上得到了提高，但与此同时带来了巨大的压力损失，这与引入表面活性剂降低阻力、节约功耗的目的相违背。关于早期强化传热方式的介绍在文献[55]里有较为详细的总结，这里就不再赘述，这里主要介绍近年来新的表面活性剂减阻溶液的强化传热手段。

WANG等[56]通过使用流变特性受光照影响的平衡离子与表面活性剂进行一定量的配比所得的减阻溶液来进行实验研究。他们发现采用反式OMCA平衡离子与表面活性剂EO/12组合可以获得50%～70%的减阻效果；同时当使用紫外光照射溶液30min左右，可以使溶液中的反式OMCA转变为顺式OMCA，能极大地减少表面活性剂溶液的临界雷诺数。当雷诺数大于20000后，相比于没有采用紫外光照射前的溶液，经过紫外光照射后的溶液具有更高的换热性能，其传热下降率由照射前的77%减少到了照射后的27%，极大地强化了传热效果。

这是一种通过外力手段紫外光照射改变表面活性剂溶液内部结构来实现强化传热，其所需的额外设备及能量的损耗非常大，不利于实际工业中的应用。除了这类通过外力手段实现表面活性剂强化传热的方式外，还有其他的被动式强化传热手段，比如通过剪切流破坏装置的方式实现表面活性剂的强化传热，这类手段不需要额外太大太昂贵的辅助设备，只需要一些简单的破坏装置即可，适用于实际工业应用。但是剪切流的强化传热方式却存在着一个极大的缺点，就是其自身会造成相当大的局部压力损失，增加泵功消耗而不利于节能。

鉴于剪切流强化传热方式自身的巨大压损问题，为了提高表面活性剂在换热领域的应用价值，本课题组魏进家教授等[38]打破传统思维模式，不用局部高速剪切流场产生高的剪切应力破坏胶束微结构，而是提出了一种新的强化传热方法，利用结构简单、易于控制的拉伸流控制器产生渐缩渐扩的流线型流道，产生拉伸流场来破坏胶束结构，在压力损失较小的情况下，有效地提高减阻界面活性剂溶液的传热能力。采用拉伸流的方式强化传热的原因主要是：相对于剪切流，拉伸流在很宽的分散相与连续相的黏度比范围内，其毛细管数的临界值均小于1，而且拉伸流场中的流体粒子仅仅被拉伸，不发生旋转，不会因旋转运动产生能量耗损，所以拉伸流动在较小的能耗下对粒子的破碎更有效，更有利于胶束结构的破坏，激发湍流，提高界面活性剂减阻溶液的传热。基于拉伸流场上述优点，魏进家等自行设计了不同的拉伸破坏装置对这种方法进行了初步的研究，发现不同的拉伸破坏装置对表面活性剂减阻性能和传热性能具有不同的效果。拉伸破坏装置较传统的剪切破坏装置来说，其具有能显著提高表面活性剂换热性能的同时造成较小的压力损失的优点。

图16和图17分别是文献[38]中给出的通过阻塞装置来产生拉伸流场破坏表面活性剂胶束结构的装置示意图以及其对Tin=−5℃下的表面活性剂ZA/NaNO2/EG/水溶液换热性能的影响。从图17可以看出，Re=10000时在阻塞装置的作用下，表面活性剂的传热下降率从44%减少到了18%，说明阻塞装置起到了26%的强化换热效果，也证实了这种采用拉伸流的方式强化换热的可行性，ROZANSKI教授也指出了魏进家等提出的拉伸流强化换热装置确实可大幅度提高表面活性剂溶液换热能力[57]。拉伸流阻塞装置与其他传统的剪切流强化换热装置（如ZAKIN教授等[58]采用的两种混合器型破坏装置Mixer A和B，以及KAWAGUCHI教授等[59]采用的三重筛网型破坏装置）的压损对比见图18。

从图18中可以直观地看出采用拉伸作用的阻塞装置后，由阻塞破坏装置造成的局部压损非常小，远小于其他强化换热方式所造成的局部压损，因此表明拉伸流阻塞破坏强化换热装置具有更小的压损，能极大地减少由强化换热装置所导致的额外的能力损耗，相较于传统剪切流强化换热装置在实际的表面活性剂换热领域中更具优势。通过拉伸流的方式破坏表面活性剂胶束结构的新方法和新思路为表面活性剂的强化换热研究提供了新的思路，大大提高了表面活性剂在换热领域的应用价值。

图16 阻塞破坏装置

图17 阻塞破坏装置对于换热的影响

图18 阻塞破坏装置与其他破坏装置的局部压降对比图

5　表面活性剂与壁面微沟槽耦合减阻特性

在早期的研究中，大多都是单独对表面活性剂进行研究，而将其与其它减阻方法共同作用的耦合减阻特性研究进行得比较少。鉴于不同减阻方法可能具有不同的减阻机理以及它们的减阻机理具有互补的可能性这一思路，近年来研究者们对不同减阻方法耦合的研究已经逐步开展起来，但大多数都是以高分子聚合物为基础来进行耦合研究[60-61]，对于以表面活性剂为基础的耦合研究相对较少。然而，表面活性剂具有可逆的机械降解特性，决定了在其在高剪切环境中较聚合物更具优势，因此将表面活性剂与其它减阻方法相结合进行研究具有十分重要的意义。当前关于表面活性剂与其它减阻方法的耦合研究，主要有表面活性剂与聚合物的耦合减阻研究[62]和表面活性剂在粗糙管路中的减阻及传热研究[63-65]等。

文献[65]进行了不同浓度的表面活性剂在不同管径、不同粗糙度的圆管内的减阻性能研究，发现随着相对粗糙度的增加，减阻消失时的临界雷诺数减小，但是，粗糙度对临界剪切应力没有影响。同时指出了表面活性剂在粗糙管中的相对减阻程度要大于光滑管的情况，这个结论是相对于水在同一粗糙度下的摩擦系数计算得到的。虽然表面活性剂在粗糙管中的相对减阻程度比光滑管要大，但是其在粗糙管中的摩擦系数却比其在光滑管中要大，因此这种类型的粗糙管对表面活性剂的减阻效果没有增强作用。这一现象在早期的研究中也可以发现[63-64]。

为了找到另一种合适的减阻手段与表面活性剂相结合，在表面活性剂减阻的基础上进一步增强减阻效果，扩大表面活性剂在减阻领域的应用范围，本课题组的黄崇海等[66]从现有的减阻手段的减阻机理出发，通过分析当前提出的减阻机理，初步洞察每种减阻手段的内在减阻本质因素及其对流体内部湍流结构等的影响，并结合表面活性剂的减阻机制及其在减阻发生时流体内部湍流结构的变化情况，发现了纵向微沟槽壁面减阻手段与表面活性剂两者之间具有减阻机理互补的可能性，因此对这两种减阻方式相结合进行了初步的实验研究。

纵向微沟槽壁面减阻与表面活性剂减阻相结合，它们的减阻机理存在互补的可能性分析如下。

（1）经过对表面活性剂溶液减阻时的减阻和湍流特性的分析以及其减阻机理的众多实验研究[18,36,67]，发现表面活性剂溶液存在相当大范围的最大减阻雷诺数区间，而在该减阻雷诺数区间内，流体中的小尺度湍流涡受到表面活性剂剪切诱导结构SIS的抑制作用而转变成了大尺度的涡，也就是说，界面活性剂使得湍流流体发生了层流化转变，抑制了流体中小涡的爆发频率，使得流体中保留的主流涡为较大尺度的涡。而且，在该减阻雷诺数区间内，其最大减阻率基本保持不变，流体中保留的主流大尺度涡的尺度也在一个相对较宽的范围内保持不变，这与牛顿流体有着很大的不同。对于牛顿流体，其流体中的涡会随着雷诺数的逐渐增大而不断减小，因此其流体中主流涡的尺度变化范围十分的宽广，这也就成为了限制某些通过抑制流体中涡的运动而实现减阻的方法的应用。

（2）纵向微沟槽壁面减阻是一类通过约束流体近壁湍流涡的运动而实现减阻作用的手段。研究界认为，沿流向排布的纵向微沟槽的减阻主要是由于沟槽尖峰能破坏流向涡，抑制流向涡和低速条带的形成，约束湍流涡的横向运动，从而减少近壁区域内流体间的动量传递和湍流强度，同时沟槽的存在还能阻止与其开口尺度相当以及比其开口尺度要大的近壁流向湍流涡侵入沟槽槽谷内部，减少了微沟槽上方高速流体与沟槽槽谷内部低速流体的动量交换，将包含有剧烈湍流运动和能量耗散的流体层向远离壁面的方向推移，从而使槽谷黏性底层增厚，使槽谷内保持着较为“安静”的低速流动的流体，从而使整体的表面摩擦力减小，达到减阻的效果。

（3）通过对纵向微沟槽的减阻机理的分析，将纵向微沟槽应用于表面活性剂减阻流体环境之中，通过表面活性剂减阻流体为纵向微沟槽减阻提供较牛顿流体更良好的减阻条件（即流体中主流涡的尺度相对较大且在表面活性剂减阻区间内的尺度变化范围小），在表面活性剂减阻的同时发挥纵向微沟槽的减阻功能，不仅能提高整体的减阻效果，还能扩大纵向微沟槽和表面活性剂的减阻应用范围。因此，将纵向微沟槽与表面活性剂相结合进行研究是十分必要且可行的。但是，值得指出的是纵向微沟槽壁面的减阻方式与其开口尺度或间距有关，因此只有合适尺度的微沟槽与表面活性剂相结合才能起到增强减阻的效果。

图19给出的是本课题组经过对纵向微沟槽与表面活性剂减阻机理的初步分析后，采用铣床加工出来的间距s=0.7mm，高度h=0.4mm，尖角α=53°的纵向微沟槽横截面示意图，并将其与不同浓度的表面活性剂相结合进行了减阻性能的研究，结果如图20所示。

图19 纵向微沟槽横截面示意图

从图20中可以看出，对于本实验所用的沟槽在无表面活性剂的情况下，在实验的整个雷诺数范围均无减阻效果，而是出现增阻现象。这主要是因为微沟槽尺寸比较大，且加工的表面粗糙度也较大造成的。然而，通过对比表面活性剂溶液在光滑通道和沟槽通道下的减阻曲线可以看出，沟槽通道下表面活性剂的减阻效果增强了大约5%，其中增强减阻效果最显著的是70µL/L浓度，然后按照100µL/L、150µL/L和50µL/L的顺序依次递减。这种表面活性剂在微沟槽通道下增强减阻效果的现象是一个令人鼓舞的现象，不仅验证了之前对两者减阻机理互补可能性分析的正确性，同时也为微沟槽与表面活性剂耦合减阻在更宽广的领域的应用提供了思路。

图20 光滑和沟槽通道下CTAC减阻性能对比

6　表面活性剂的应用

鉴于表面活性剂具有的可逆的机械降解特性以及其高达60%～80%的减阻特性，决定了其在实际的工业管路输送中，特别是循环式输送系统中较其他减阻方式具有更大的优势和应用潜力与价值。表面活性剂减阻在国外集中供热/供冷系统中已经取得了一定程度的成功应用[68-70]。然而，这种将减阻剂湍流减阻技术应用于实际工业系统的研究在国内还处于起步阶段，相关的研究还比较少。鉴于此，本课题组的魏进家教授、哈尔滨工业大学的李凤臣教授和北京中国石油大学的宇波教授[2]首次将这种表面活性剂湍流减阻技术引入我国的集中供热/供冷系统中，在青岛的一个供暖系统中进行了表面活性剂在实际供热系统中的减阻剂传热特性的研究，得到了最高为11.7%的增输率，在同流量情况下能使泵功减少28.4%，取得了很好的成效，为减阻剂在国内集中供热/供冷系统中的应用提供了参考价值。

同时，本课题组的马宁等[4,34]还对较小尺寸管径下的表面活性剂减阻性能进行了研究，并提出了可以利用Hoyt的尺度放大方法[71]，将小尺寸管径下的减阻数据放大到与工业实际应用中的大尺寸管径，从而获得相应的大尺寸管径下的表面活性剂减阻特性的新思路，并将这种通过尺度放大的方法得到的数据结果与KAWAGUCHI等[72]在大尺寸管径下的实验数据进行对比，两者吻合较好。这表明了将Hoyt尺度放大方法应用于表面活性剂的尺度放大是可行的。同时，马宁等还用Hoyt尺度放大方法将在小尺寸管径下的减阻数据放大应用到上述青岛的实际供热系统的减阻性能预测，预测结果与实测结果一致。这一放大方法的使用为表面活性剂在实际工业领域的大尺寸管径条件下的减阻性能提供了一种预测方法。

7　结 语

尽管对表面活性剂的流变、减阻、湍流结构、强化换热及与其它减阻方法的耦合作用等进行了大量的研究，得到了大量的实验及模拟数据和结论，但在其减阻机理、最优的强化换热方式及通过耦合方法进一步提高减阻能力以及工业应用等方面需要进一步的研究。针对表面活性剂现有研究的不足，对于未来的研究提出以下几点建议：①环境友好的高效表面活性减阻剂的筛选和开发以及表面活性剂在使用完后的回收处理；②鉴于拉伸流场能显著提高表面活性剂的换热性能及其较小的压损优势，对拉伸装置进行优化设计及在强化换热部分的优化布置，提高表面活性剂溶液的换热能力；③通过合理地分析各种减阻手段现有的机理，将表面活性剂与其他减阻方式（如纵向微沟槽壁面减阻等）相结合，深入研究它们的耦合特性，以便进一步提高减阻性能和扩大二者的减阻应用范围；④在尺度放大、防腐以及减阻持久性方面开展有关表面活性剂的实际工业应用研究，为表面活性剂从实验室走向实际工程应用做出指导。

符 号 说 明

Cf—— 范宁摩擦系数

Cm—— 表面活性剂浓度

DR—— 减阻率，%

H′—— 旋转容器内平均液体高度，mm

H—— 二维通道半宽，mm

h′—— 表面活性剂溶液自由面中心的下陷深度，mm

h—— 纵向微沟槽高度，mm

Lp—— 刚性胶采样棒的长度，mm

N—— 刚性棒状胶束个数

Nm—— 胶束聚集数

Nu—— 努塞特数

Per—— 佩克莱数，量纲为1

Re—— 以通道高度或管径计算的雷诺数，量纲为1

s—— 纵向微沟槽间距，mm

T—— 温度，℃

Tc—— 临界温度，℃

Tin—— 液体温度，℃

U—— 流体平均速度，m/s

U+—— 平均速度，量纲为1

y+—— 壁面距离，量纲为1

α—— 纵向微沟槽尖峰夹角，（°）

ΔP—— 压力损失，Pa

ηs—— 连续流体介质的黏度，Pa⋅s

ηE—— 拉伸黏度，Pa⋅s

θ—— 刚性胶束棒间的夹角，（°）

ρ—— 流体密度，kg/m3

σ—— 胶束球体直径，mm

σxy—— 剪切应力，N

参 考 文 献

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Research progress concerning turbulent drag reduction of surfactant solution

WEI Jinjia，HUANG Chonghai，XU Na
（State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）

Abstract：In turbulent flow drag reduction applications，surfactant additive is more applicable than polymer for the flow with high shear or in the closed circulation system due to its reversible mechanical degradation advantage. However，there is not enough understanding of the complicated rheology and drag-reduction mechanism of surfactant solution，limiting its practical application in the drag reduction field. This review introduces the research progress of surfactant drag reduction conducted by the authors in recent years on microstructure，complicated rheology characteristics，turbulent structure，as well as their relations with drag reduction and heat transfer，and analyzes the combined drag reduction effect of surfactant additives in the flow and microgroove fabricated on the wall. The stretch devices can significantly improve the heat transfer performance of surfactant drag-reducing flow with a lower pressure loss penalty. To the shortages of present surfactant drag reduction research，several suggestions are given for the future study. The first is to develop environmentally friendly and effective surfactant，the second is optimal design and layout of heat transfer enhancement device for drag-reducing flow，the third is the study on synergetic effect of dragreduction by combing surfactant drag reduction and other drag-reducing ways，and the final one is practical industrial application research on the scale-up，anticorrosion and persistence effect of surfactant drag reduction.

Key words：surfactant；turbulent flow；rheology；heat transfer

中图分类号：TE08；TV131

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）06–1660–16

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.007

收稿日期：2016-01-15；修改稿日期：2016-02-15。

基金项目：国家杰出青年科学基金项目（51225601）。