聚氧化乙烯水溶液旋转圆盘减阻实验研究

田 伟，庞明军

(常州大学机械与轨道交通学院，江苏 常州 213164)

在流体管道和泵输送中，由于湍流涡的能量耗散，能源利用率低、损耗大的问题较为突出，因此有必要对如何减小阻力、节能降耗开展研究.在众多的减阻节能技术中，添加剂减阻是一种有效的节能措施[1]，某些微量(百万分率)添加剂(如聚合物)的加入，可以显著降低管道或泵中的流动摩擦阻力[2].又因某些高分子聚合物(如水溶性非离子型聚氧化乙烯PEO)具有耐高温、无毒、减阻雷诺数范围宽、价格低、受PH和离子浓度影响小等优点，所以高分子聚合物减阻在内流和外流工程中应用广泛.内流中的应用如消防、泥浆和卤水的运输、下水道系统[3]、灌溉系统、集中供热、生物医学领域中抑制动脉粥样硬化和预防出血休克等[4-5]；外流应用如平板上的流动和浸没物体周围的流动，如航运业中提高航速和节省燃料、煤的水力运输等[6].

为了理解聚合物溶液的减阻规律和减阻机理，国内外学者对聚氧化乙烯(PEO)溶液进行了一些内外流动减阻实验研究.X.D.Dai等用旋转圆盘研究了PEO减阻和机械降解规律，发现不同分子量的PEO均存在最佳减阻浓度，高分子量的PEO最佳减阻浓度反而低，温度升高使没有侧链的PEO减阻能力下降[7]；任刘珍等研究了管道内均匀与非均匀PEO溶液湍流减阻特性，发现虽然非均匀PEO溶液最大减阻率低，但溶液稳定性很好[8]；B.Nsom等发现在给定的管内流速下，PEO减阻率随着浓度的增加而增加，直到达到一个平台；而对于给定的浓度，在所测流量范围内，减阻率随着流量的增加而增加[9]；R.M.Andrade等采用圆柱双间隙流变仪装置研究了PEO、PAM和XG溶液中盐浓度对减阻率(DR)的影响，发现在PEO和XG溶液中盐的存在使最大DR值和其发展时间降低了，而PAM盐溶液的DR变化不明显[10]；B.R.Elbing等发现在管道中PEO和PAM的盐水溶液开始出现减阻效果的雷诺数比纯水溶液的高，且认为盐对减阻溶液的降解过程影响不大[11]，这与P.Chen的实验结果并不一致[12]；E.J.Soares等在管道流实验中发现PEO在低浓度下有最大的减阻效果，而在连续循环运转40次后，由于机械降解的影响PAM比PEO减阻效果更好[13]；C.A.Kim等发现在较低温度下PEO比PAM减阻效果好，但超过87.8 ℃后，PEO完全失效且降解率高[14]；X.Zhang等在双间隙流变仪中研究了PEO的降解，提出了PEO在湍流减阻过程中的降解是基于分子量的一级化学反应的新理论[15]；C.Lawrence等用粒子成像测速仪(PIV)研究了在油水两相流中加入PEO对流速和湍流特性的影响，结果表明：水的平均速度和最大速度均增大，减阻率随着所测PEO分子量的增加而增加[16].此外，还有学者研究了PEO复合减阻效果.A.Steele等研究了PEO与碳纳米管复合对管内流动减阻的影响，发现PEO的减阻效率显著提高，得出碳纳米管会引起聚合物分子构象变化的结论，即导致平均分子链长度的增加[17]；K.F.Sarmad等研究了表面活性剂SDBS加入PEO溶液中对减阻效果的影响，发现低浓度PEO溶液中加入较高浓度SDBS和较高浓度PEO溶液中加入低浓度SDBS的组合减阻效果较好[18].

综上所述，影响高分子聚合物减阻的因素较多，如浓度、温度、分子量、雷诺数、PH值、运行时间等，然而目前绝大数研究集中于研究浓度和雷诺数的减阻规律和减阻机理，对温度影响的研究并不多见，且在分析某一因素的减阻机理时，忽略所研究的其他因素.显然，各因素对减阻的影响不是独立的，而是错综复杂的关系.所以本文详细研究了温度、浓度和雷诺数对PEO水溶液的减阻规律，通过分析三者对减阻规律的影响、希望获得一些减阻机理解释.

1 实验内容

1.1 实验试剂选取与溶液制备

对几种常用的聚合物进行了多次溶液配制，通过对比它们的经济性、溶解度、增稠性和减阻效果，最终选用了经济性和减阻效果好的水溶性非离子型聚氧化乙烯(PEO)，购置于上海臣启化工科技有限公司，分子量为6×105g·mol-1，溶剂为市售的蒸馏水.

实验前，先量取定量的蒸馏水置于容器中，再用称量天平按质量比称量PEO粉末，然后均匀撒在水面，避开容器壁面，盖好容器后静置72 h左右使溶液自由溶解均匀并达到完全平衡，防止在实验前溶液有任何的人为降解.

1.2 实验装置

旋转圆盘减阻装置(RDA)结构示意图和实物图如图1所示.其主要由水浴循环系统、电机、旋转圆盘、速度控制器和电脑5个部分组成.

图1 旋转圆盘减阻装置图

其中盛液槽为带夹套的圆柱形玻璃容器，内筒直径为180 mm、轴向深度为65 mm.夹套结构是为了将循环水注入控制测试溶液的温度.不锈钢圆盘直径为100 mm、厚度为3 mm，其与不锈钢转轴直接焊接.旋转轴由联轴器与电机相联，装置上设有扭矩传感器.扭矩传感器量程为0～3.39 N·m，精度为0.000 1 N·m.电机型号为WB3000-D，转速为0～3 000 r/min，电机调节精度为±10 r/min.

为了调节高分子聚合物减阻溶液的温度，通过软管将循环水域与盛液槽的夹套连接.循环水域购置于上海方瑞仪器有限公司，型号为DC/HDC0506，控温范围为-5～99.99 ℃，控温精度为±0.01 ℃.

1.3 实验工况设置

由于在低温下PEO不易溶解[19]，且试验结果表明浓度达到150 ppm时，溶液已经较难配置均匀，所以浓度范围设置为30 ppm～150 ppm，具体测量浓度分别为30 ppm、50 ppm、75 ppm、100 ppm和150 ppm.因高分子聚合物具有较好的耐热性能，但温度过高时溶液中的分子链容易发生缠绕且伸展后长分子链的热动能高易断裂[20]，所以测量温度范围设为10 ℃～60 ℃，步长为10 ℃.根据文献[21，22]，当旋转雷诺数Re>3×105时，流动才能进入湍流状态.因此，测量雷诺数范围取为3×105～5.5×105.

1.4 减阻率计算

高分子聚合物溶液只有达到湍流状态才能产生良好的减阻效果，文献[21，22]指出，旋转雷诺数应大于3×105，因此根据下式可以计算出达到湍流所需的圆盘角速度为

Re=ρr2ω/μ，

(1)

公式中：ρ为试验温度下流体的密度，kg·m-3；μ为流体的动力黏度，Pa·s；ω为圆盘的角速度，rad·s-1；r为圆盘半径，m.

尽管PEO水溶液的动力黏度会随着浓度、温度和雷诺数的变化而改变，导致达到湍流状态所需的转速不同，但由于本文PEO水溶液的浓度相对较低，其密度和动力黏度变化很小。且由于温度变化引起动力黏度变化而带来的额外摩擦阻力较小，在仪器允许的误差范围内[22-23].为此，为了方便计算和对比，本文均选用纯水的物性参数来计算雷诺数。在公式(1)中代入纯水的密度、动力粘度以及本文圆盘半径可以得出达到湍流所需圆盘的角速度，进一步可以算出圆盘转速应大于1 149 rpm，为保证旋转雷诺数大于3×105，故起始转速取为1 200 rpm.

在同一雷诺数和温度下，分别测量纯水和PEO水溶液的扭矩值，根据式(2)可计算出PEO水溶液的减阻率

(2)

公式中：Ts为纯水的扭矩值，N·m；Tp为PEO水溶液的扭矩值，N·m；DR%为PEO水溶液的减阻率.

2 实验结果分析和讨论

2.1 旋转圆盘装置扭矩测量方法与准确性验证

2.1.1 测量方法

当浓度、温度和雷诺数不同时，减阻溶液完全形成网状结构、达到最大减阻效果的时间不尽相同.鉴于聚合物大分子结构对机械降解特别敏感，又考虑到环境温度和仪器稳定性带来的影响，很难确定减阻溶液达到完全平衡和稳定所需的时间(即扭矩记录时间)，为此对于同一测量工况，绘制了扭矩随测量时间的变化曲线，如图2所示.在计算减阻率时，取图中完全稳定的扭矩值用来计算减阻率.

另外，由于高分子聚合物在机械剪切作用下会发生降解，且降解是是单向的、不可恢复的，所以每测完一个转速(雷诺数)后，均需更换溶液，温度稳定后再进行下一个转速的测量.

图2 20 ℃时纯水和75 ppm减阻溶液扭矩曲线图

2.1.2 准确性验证

为了验证装置的准确性，在20 ℃下对纯水的黏性扭矩进行了三次测量，然后观察实验结果的重复性，并将这三组实验值与理论值进行了对比.理论值可由下式计算获得[23]

(3)

公式中：T为扭矩，N·m；ρ为纯水的密度，kg·m-3；μ为纯水的动力黏度，Pa·s；r为圆盘半径，m；s为圆盘上表面距容器内壁的轴向距离，m；Re为雷诺数.

从图3(a)中可以看出，三次实验测量值非常接近，特别是雷诺数较高时，纯水黏性扭矩的测量值基本重合，重复性很好.从图3(b)中可以看出，随着雷诺数的增加，实验值和理论值的误差在减小并稳定在较小范围内，最大偏差约为8.5%.产生误差的原因除了仪器的机械误差外，还可能是由于在湍流中圆盘边缘处会形成径向射流冲击壁面，使样品槽内溶液的垂直边界层的不稳定性增强从而引起局部波动，这种局部波动最终会引发整个流域的强烈波动导致测量误差的产生.而随着雷诺数的增加，在较大旋转离心力的抑制下，射流减弱，波动会逐渐变得稳定.总而言之，目前使用的旋转圆盘减阻装置的测量误差较小，满足要求.

图3 20 ℃时纯水实验结果的重复性与准确性检验

2.2 减阻结果分析和讨论

2.2.1 PEO水溶液减阻规律分析

使用自行搭建的旋转圆盘装置，研究了浓度、温度和雷诺数对PEO水溶液减阻率的影响，实验结果如图4所示.从图中可以看出，浓度与雷诺数对PEO水溶液减阻率的影响与温度有关.

当温度较低(10 ℃)时，如图4(a)所示，所测的所有浓度减阻溶液的减阻率随着雷诺数的增加先减小后迅速增大；在高雷诺数下，较低浓度(30 ppm、50 ppm和75 ppm)减阻溶液的减阻率有趋于稳定的趋势.这是因为在低温下，PEO分子链的热运动较弱、不易发生缠绕，也就是有效减阻分子链多，所以在低雷诺数下(低强度的剪切作用下)减阻效果好[7].但随着雷诺数的增加(即剪切强度的增加)，分子链的动能增加，长链分子运动的增强会发生互相缠绕，导致减阻有效分子链减少、而且表观黏度增大，所以减阻效果有所下降.随着雷诺数(剪切强度)继续增加，缠绕的长链分子又会解缠、并被拉伸，拉伸而伸展的长分子链减阻效果要比卷曲的好，所以减阻率又开始增加.当雷诺数进一步增加时，伸展的长分子链会互相联接形成减阻效果更好的空间网状结构，所以减阻效果迅速增加[24].为了便于理解，参考文献[4，24，26]作出PEO分子微观结构随温度及雷诺数演变示意图，如图5所示.应注意的是，在低温状态下，当浓度较高时，减阻溶液的表观黏度也较高，高表观黏度带来大的摩擦阻力会降低较高浓度减阻溶液的减阻效果，所以100 ppm和150 ppm较高浓度减阻溶液的减阻率比其它浓度的低.

图4 10 ℃～60 ℃ PEO水溶液减阻率随浓度的变化

图5 PEO分子微观结构随温度和雷诺数演变示意图

随着温度的升高，PEO分子链的热运动逐渐增强，导致在低强度的剪切作用下，减阻分子链就可以伸展开，起到强化减阻的作用.如图4(b)所示，当温度升高到20 ℃时，较低浓度(30 ppm、50 ppm和75 ppm)减阻溶液的减阻率随着雷诺数的增加而增大，而较高浓度(100 ppm和150 ppm)减阻溶液的减阻率在低雷诺数下先是略有下降、然后迅速增加，同样浓度较高时，溶液的表观黏度大、减阻率低.与10 ℃下的减阻数据相比，随雷诺数的增加，减阻率的增长速度有所变缓，但相同雷诺数下，溶液的减阻效果均更好.这是因为在该温度下，温度对减阻的积极作用多于负面作用，即温度仅起到推动PEO分子链的伸展，而对分子链还未起到破坏作用，所以随着雷诺数的增加(即剪切强度的增加)，溶液中的长链分子逐渐伸展、有序排列并相互联接形成减阻效果更好的空间网状结构，所以减阻率迅速增加[9].

当温度继续升高时，温度对PEO减阻效果的影响变得更加复杂，如图4(c)所示.当温度升高到30 ℃时，较低浓度减阻溶液的减阻率随雷诺数的增加先增大，然后趋于稳定、呈现“平台”状；而较高浓度减阻溶液的减阻率随着雷诺数的增加先迅速增大，之后增长速度变缓，且表观黏度对高浓度减阻溶液的影响降低.这是因为当温度达到30 ℃时，温度对减阻的影响呈现出双重效应，即较高的温度一方面促进PEO分子链的伸展、强化减阻，另一方面也会降低分子链的结合力、易于分解，此外，升温也会使减阻溶液中PEO分子链的热运动增强、相互缠绕，有效减阻分子链减少，使减阻弱化，所以所有雷诺数对应的减阻率要比20 ℃的低.在该温度下，随着溶液中长链分子的全部伸展、并联接形成空间网状结构且稳定后，在某个雷诺数范围内减阻率不再增加，所以呈现出稳定“平台”状；如果雷诺数(剪切强度)继续增加的话，当剪切达到空间网状结构所能够承受的最大剪切强度后，空间网状结构开始解聚，之后长分子链被剪断、发生降解，如图5所示，所以减阻效果开始下降[24].此温度下，仅发现30 ppm减阻溶液发生降解时所对应的雷诺数(Re=5.2×105)，受测量设备转速的限制，不能给出高浓度减阻溶液在该温度下达到稳定和开始降解时对应的雷诺数.

当温度升高到40 ℃以上时，温度对减阻效应的促进作用低于其产生的破坏作用，首先，在高温和剪切的协同作用下，PEO分子链容易链裂解形成活泼的自由基，自由基又会进一步引发其它分子链裂解，造成连锁反应，导致PEO分子链发生快速降解，减阻溶液的表观黏度急剧下降[25]；其次，高温溶液中PEO分子链的热运动剧烈，分子链会自发地按照最小阻力原则有序排列，所以减阻溶液的表观黏度进一步降低，表观黏度对高浓度减阻溶液减阻效果的影响不再明显.如图4(d)、图4(e)和图4(f)所示，所测的所有浓度减阻溶液的减阻率基本上随着雷诺数的增加先增大、然后稳定、再减小；随着温度的升高，减阻率达到稳定和开始下降的雷诺数均在降低；而随着浓度的增加，减阻率开始稳定和开始下降的雷诺数却在增大.这是因为在高温下，一方面减阻溶液中PEO分子链的热运动较强，在温度和剪切的协同作用下，使解缠、伸展后的长分子链能更快地联接形成空间网状结构，所以在相对较低的雷诺数下(低强度的剪切作用下)，减阻率达到稳定；另一方面，高温也同时降低了分子链的结合力，导致长分子链更容易被剪断.所以在相对较低的雷诺数下(低强度的剪切作用下)，长分子链开始降解，减阻率开始下降[4].另外，减阻溶液的浓度越高，减阻有效分子链数量就越多，完全形成空间网状结构所需雷诺数(剪切强度)就越高；而且形成的空间网状结构更密、更牢固，抵抗降解能力更好，则其开始降解(即减阻率下降)对应的雷诺数也越高[10].

从上述分析可以看出，PEO水溶液的减阻率受温度、浓度和雷诺数的影响非常复杂，并非是一个简单的线性关系；它们对减阻的影响，有时会相互促进减阻效应，有时也会相互弱化减阻效应.

2.2.2 浓度对PEO水溶液减阻影响分析

为了详细研究浓度对减阻率的影响，给出了三个固定雷诺数下，不同温度下减阻率随浓度的变化，如图6所示.浓度对PEO水溶液减阻率的影响与雷诺数和温度有关.由于较低温度(10 ℃、20 ℃和30 ℃)和较高温度(40 ℃、50 ℃和60 ℃)下减阻率随浓度的变化曲线对应相似，所以根据温度和雷诺数(所测雷诺数中取低、中、高)的不同，做出六个子图，以便清楚地显示.

从图6(a)、图6(b)和图6(c)中可以看出，当温度为10 ℃和20 ℃时，随着浓度的增加减阻率先略微增大后减小；在相同的温度下，随着雷诺数的增加，减阻率随浓度增加和减小的幅度降低，且在所测浓度范围内取得最大减阻率的减阻溶液的浓度在增加；在中、低雷诺数下50 ppm的减阻率最高，在高雷诺数下75 ppm的减阻率最高.这是因为在10 ℃和20 ℃时，浓度增加(减阻有效分子链数量增加)对减阻效应的促进作用低于其引起表观黏度增加对减阻带来的负面作用，特别是对于较高浓度减阻溶液，浓度越高、表观黏度越大、摩擦阻力越大，减阻效果越差.然而，随着雷诺数(剪切强度)的增加，一方面减阻溶液的表观黏度降低(剪切稀化效应)，特别是较高浓度减阻溶液的表观黏度降低的幅度更大，则表观黏度对减阻效应的影响变小，所以在高雷诺数下减阻率减小的幅度降低；另一方面，减阻溶液浓度越高，溶液中有效减阻分子链就越多，所以减阻效果更好，减阻率更高[6].

当温度升高到30 ℃时，随着浓度的增加减阻率先增加、后减小、再增加.在中、低雷诺数下100 ppm的减阻率最低，在高雷诺数下30 ppm的减阻率最低.最大减阻率所对应的浓度随着雷诺数的增加在增大.这是因为30 ℃时，在所测浓度范围内，浓度对减阻影响的双面性比较突出.浓度升高一方面使溶液中减阻有效分子链的数量增加，联接形成的空间网状结构数量多且密，促进减阻.另一方面，浓度的增加，会使溶液的表观黏度增加，从而增大摩擦阻力，抵消部分减阻效应.在30 ℃时，150 ppm减阻溶液中PEO分子对减阻的综合贡献(即对湍流抑制导致阻力的减小程度高于表观黏度增加导致摩擦阻力的增加程度)高于100 ppm减阻溶液的，所以减阻又有所增加.另外，当温度升高到30 ℃时，虽然减阻溶液表观黏度随浓度增加对减阻效果的影响有所降低，但依然存在.随着雷诺数(剪切强度)的增加，在高强度的剪切作用下，高浓度减阻溶液的表观黏度会进一步降低，而且在这样的剪切作用下，可以促使减阻溶液中的有效减阻分子链全部联接形成高密度的空间网状结构，导致较高浓度(100 ppm和150 ppm)减阻溶液的减阻率又有所增加，即在图6(c)中150 ppm减阻溶液的减阻率最高[11].

图6 不同雷诺数和不同温度下，减阻率随浓度的变化

图6(d)、图6(e)和图6(f)给出固定雷诺数下，温度升高到40 ℃以上时，浓度对减阻率的影响情况.当温度升高到40 ℃以上时，表观黏度(浓度增加带来的表观黏度增大)对减阻溶液减阻效果的负面影响已不存在.在中低雷诺数下，减阻率随着浓度的增加先增大后减小，在所测浓度范围内100 ppm减阻溶液的减阻效果最佳.在高雷诺数下，减阻率随着浓度的增加而增大，在所测浓度范围内150 ppm减阻溶液的减阻效果最佳.这是因为在高雷诺数下(高强度的剪切作用下)，PEO分子溶解的更加充分，且浓度最高的150 ppm减阻溶液的有效减阻分子链多，形成的空间网状结构数量多、强度高，耐高温和高强度剪切作用，所以减阻效果更好、减阻率最高[26].

2.2.3 温度对PEO水溶液减阻影响分析

实验结果表明，温度对PEO水溶液减阻率的影响也很复杂.由于较低浓度(30 ppm、50 ppm和75 ppm)和较高浓度(100 ppm和150 ppm)减阻溶液的减阻率随温度的变化趋势对应相似，所以取浓度为50 ppm和150 ppm PEO水溶液为例进行分析，实验结果如图7所示.

从图7中可以看出，温度对PEO水溶液减阻率的影响与浓度和雷诺数有关.对于50 ppm较低浓度的减阻溶液如图7(a)所示，在较低和中等雷诺数下，其减阻率基本上随着温度的升高先增大、后减小、再趋于稳定，20 ℃时减阻率最高，在较高温度(40 ℃、50 ℃和60 ℃)时，减阻率相近且相对较为稳定.这是因为在20 ℃时，温度和剪切协同作用对减阻的影响处于最佳联合状态，他们仅是促进PEO分子链的快速伸展、联接形成空间网状结构，所以减阻效果好、减阻率高.在较高雷诺数下，其减阻率随着温度的升高先增大后减小，同样是20 ℃时的减阻率最高；但是在较高温度下，减阻率不能再保持相对的稳定，且温度越高、减阻率越低.这是因为在较高雷诺数下(较高强度的剪切作用下)，解缠的长分子链在高热动能和高强度剪切的协同作用下，会断裂降解(即减阻率下降)，温度越高、热动能越大，解缠后的长分子链越易降解，所以减阻率越低[4].

图7 温度对50 ppm和150 ppm PEO水溶液减阻率的影响

对于150 ppm较高浓度的减阻溶液如图7(b)所示，在较低雷诺数下，其减阻率随着温度的升高先增大、之后减小、再增大，然后趋于稳定；较高温度下溶液的减阻率高于较低温度(10 ℃、20 ℃和30 ℃)下的减阻率、且大小相近，60 ℃时减阻率最高.这是因为在较低温度下，150 ppm减阻溶液的表观黏度大，摩擦阻力大，严重影响其有效减阻效果，而升温能使其表观黏度降低，从而减小摩擦阻力，使减阻效果更显著，所以60 ℃时减阻率最高.在中等雷诺数下，其减阻率随着温度的升高先增大，而后趋于稳定(大小相近).这是一个过渡阶段，较高温度范围减阻溶液的减阻率变化幅度很小，减阻率曲线有所重合，所以减阻率大小相近，而较低温度范围减阻溶液的减阻率增幅很大.在较高雷诺数下，其减阻率随着温度的升高先增大后减小，此时20 ℃时的减阻率最高，这与50 ppm减阻溶液在较高雷诺数下减阻率的变化相似.

为了详细研究温度对减阻率的影响，给出了三个固定雷诺数下，所测所有浓度减阻溶液减阻率随温度的变化趋势，如图8所示.

从图8中可以看出，在较低雷诺数(Re=3.4×105)下，如图8(a)所示，较低浓度(30 ppm、50 ppm和75 ppm)减阻溶液的减阻率随温度的增加先增大、后减小、再趋于稳定，所测温度中20 ℃时的减阻率最高；较高浓度(100 ppm和150 ppm)减阻溶液的减阻率随温度的增加先增大、之后减小、再增大后趋于稳定.结果表明，在低强度的剪切作用下，浓度高的减阻溶液更耐高温.

在中等雷诺数(Re=4.2×105)下，如图8(b)所示，对于较低浓度的减阻溶液，其减阻率随温度的变化和在较低雷诺数下的相似；而较高浓度减阻溶液的减阻率随温度的升高先增大、而后近似趋于稳定.

图8 不同雷诺数不同浓度下减阻率随温度的变化

在较高雷诺数(Re=5.2×105)下，如图8(c)所示，所测的所有浓度减阻溶液减阻率基本上均随着温度的增加先增大后减小，在所测温度中20 ℃时减阻率最高.另外，随着温度和雷诺数的增加，在所测浓度范围内取得最大减阻率的浓度在增加.在中低雷诺数下，随着温度的增加，在所测浓度范围内取得最大减阻率的浓度从50 ppm增加到100 ppm；在较高雷诺数下，随着温度的增加，在所测浓度范围内取得最大减阻率的浓度从75 ppm增加到150 ppm.作为一个事实，温度和雷诺数的增加均能降低高浓度减阻溶液的表观黏度，所以会降低因表观黏度增加对减阻带来的负面作用，即促进减阻；同时他们也能促进减阻结构的破坏和减阻分子链的降解，弱化减阻[24，26].因此，在高温和高强度的剪切作用下，要想取得的好的减阻效果，必须增加有效减阻分子链的数目或(和)增强减阻结构的强度，即增大浓度.或采取其他措施，比如采取复合减阻.最后应指出的是，在目前所测的雷诺数和温度范围内，取决于浓度和雷诺数的大小，存在一个最佳减阻温度.比如对于较低浓度的减阻溶液和较高雷诺数下的减阻溶液，其最高减阻率均发生在20 ℃下.20 ℃对减阻结构的生成是否是一个最佳温度，这一现象有待深入的研究.

总而言之，浓度、温度和雷诺数对PEO水溶液减阻率的影响非常复杂，他们对减阻率的影响均会表现出两面性.比如升温一方面会促使卷曲的PEO分子链伸展，促进减阻；另一方面也会降低分子链的结合力、易于降解，还会增加分子链的热运动、使其相互缠绕，使减阻弱化.浓度的增加一方面会使溶液中减阻有效分子链的数量增加，从而更易形成空间网状结构，促进减阻；另一方面会使溶液的表观黏度增加，增大摩擦阻力，抵消部分减阻效应.雷诺数的增加(即剪切强度的增加)一方面会使缠绕的PEO分子链解缠、拉伸，并互相联接形成减阻效果更好的空间网状结构，增强减阻效应；另一方面高强度的剪切作用会使空间网状结构解聚，长分子链被剪断、发生降解，削弱减阻.如何来判断各因素对减阻的贡献，仅靠实验手段很难确定，需要高级数值研究方法才能给出满意的解释.

3 结 论

用旋转圆盘装置详细研究了浓度、温度和雷诺数对PEO水溶液的减阻规律，从目前的实验结果可以得出如下结论：

(1)浓度、温度和雷诺数对PEO水溶液减阻率的影响并不是简单的线性关系，而是相互影响错综复杂的关系，他们对减阻率的影响表现出多面性.

(2)浓度对减阻率的影响与温度和雷诺数有关，在较低温度和较低雷诺数下，减阻率随浓度的增加先略微增大后迅速减小，较低浓度与较高浓度减阻溶液的减阻率之比最高可达2.7；在较高温度和较大的雷诺数下，减阻率随浓度的增加而平稳增大.

(3)温度对减阻率的影响与浓度和雷诺数有关，当雷诺数较低时，较低浓度减阻溶液减阻率随温度的增加先增大、后减小、再趋于稳定；当高雷诺数较高时，所测减阻溶液减阻率均随温度的增加先增大后减小.二者存在近似为20 ℃的最佳减阻温度.

(4)PEO水溶液减阻存在减阻最佳温度和浓度，这些最佳值随着浓度、温度和雷诺数组合的变化在变化.