黄原胶水溶液湍流减阻效果试验研究

尹亚敏，罗 超，孔维博，范春梅

（1.云南农业大学 水利学院，昆明 650201；2.云南水利水电职业学院，昆明 650201；3.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650201）

1 背景

湍流基本特征是许多大小不等的涡体相互混掺着进行的，他们的位置、形态、流速时刻都在发生变化。 把运动要素随时间作不规则急剧变化的现象称为脉动，湍流的运动具有脉动的性质［1］。 水流减阻，单位时间可增加泄流量， 在水利设计中可减小排水建筑物尺寸，达到减少工程量、降低投资的目的。 水流减阻技术， 既可用于增大水库排泄需求、 城市泄洪，也可超设计标准特殊防护的一种措施［2］。

目前减阻方法常见有沟槽法、气泡法、柔壁法、高聚合物添加剂法、 高分子涂层减阻和壁面振动减阻等。高聚合物分子变形的有序性产生了两种作用：一是阻碍漩涡的产生，从而降低漩涡的发生频率；二是降低了已经形成漩涡的转动速率［3-4］。 这两种作用综合起来，减小了高分子稀溶液的猝发周期，从而导致了湍流减阻。

减阻试验研究大多集中于油料和NGL、LPG的运输减阻效果研究。 采用高聚合物添加剂法对水力学减阻效果研究比较散件，极端降雨频繁，对城市及河道及时泄洪要求越来越高， 对水力减阻研究是具有现实意义的研究方向。 本研究采用高聚合物添加剂法，减阻剂可分为水溶性和油溶性两大类［5-6］。 试验材料黄原胶属于水溶性的高分子聚合物。黄原胶由野油菜黄单胞菌发酵产生的多糖高分子聚合物［7］，具有成本低易获取特点。

2 材料及方法

2.1 试验材料

黄原胶水溶液配制： 将黄原胶添加剂缓慢少量加入准备好的5kg的纯净水中， 同时快速搅拌均匀，配制成半浓缩液，将其倒入储水箱中，按试验需求配制目标质量分数不同的稀溶液， 即0.005%，0.01%，0.02%，0.023%，0.024%，0.025%，0.026%，0.027%，0.028%，0.03%。本试验时溶液温度20℃左右，然后开机低速运行0.5h，使实验溶液彻底稀释均匀，开始试验。 沿程水头损失的实验仪： 试验管道材质为不锈钢，管径6.95mm，管长85cm。

2.2 试验方法

（1）沿程水头损失实验仪操作步骤如下：全开所有阀门，包括流量调节阀，供水阀、旁通阀。快速关闭或开启流量调节阀，重复数次，检查实验管道及连通管中无汽包，全关流量调节阀，观察测压架读数，液面稳定后测压管液面是否齐平， 若测压管液面齐平电测仪调零，试验开始。

（2）压差控制和流量的量测。本试验在湍流的状况下进行的，压差值从电测仪上读取。试验溶液按浓度0.00%，0.005%，0.01%，0.02%，0.023，0.024%，0.025%，0.026%，0.027%，0.028%，0.03%依次进行，每种浓度均通过流量调节阀和旁通阀的开度控制压差， 分别为100，200，300，400，500cm； 依次量测水温和流量，流量测量采用重量体积法。

2.3 试验成果的计算分析

（1）糙率计算。计算沿程水头损失的计算采用的达西-威斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式［8-9］，即：

式中 Re为雷诺数；u为流速（cm/s）；v为运动黏度（cm2/s）［10-11］；d为管径（cm）；Q为流量（cm3/s）；t为温度（℃）。

（3）ΔQ与Δn的计算。

式中 Q为添加黄原胶后的流量（cm3/s）；ΔQ为增加流量（cm3/s）；Qs为未添加黄原胶的流量（cm3/s）；n为添加黄原胶后的糙率；Δn为减少的糙率；ns为未添加黄原胶的糙率。

对照组糙率计算成果如表1，各试验组糙率计算成果如表2。

表1 对照组糙率计算成果

表2 各试验组糙率的计算成果

减阻率和流量增输率的最大值均发生于溶液浓度为0.025%实验， 当压差在100～500cm时减阻率为18.85%～22.05%，增输率24.71%～32.96%。

3 试验结果分析

把浓度为0.00%定为对照组， 当溶液浓度相同时，相同浓度糙率与雷诺数的关系曲线如图1，水头损失hf与糙率n的关系曲线如图2；水头损失hf与糙率变化量Δn的关系曲线如图3；相同浓度增输率与压差的关系曲线如图4；相同浓度减阻率与压差的关系曲线如图5。

图1 相同浓度糙率与雷诺数的关系曲线

图2 相同浓度hf 与n的关系曲线

图3 相同浓度hf 与Δn的关系

图4 相同浓度增输率与压差的关系曲线

图5 相同浓度减阻率与压差的关系曲线

3.1 黄原胶浓度对雷诺数的影响

雷诺数是判别层流和湍流的重要标准， 其公称值为2320。 试验表明当雷诺数小于10000时，黄原胶的减阻效果不明显，是由于管径较小（0.695cm），在湍流中， 紧靠固定边界附近的地方， 因脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，而流速梯度却很大，所以黏滞切应力起主导作用，其流态基本属于层流［12］；当雷诺数大于15000时，管道中完全形成湍流，减阻效果明显［13］。

试验结果表明：①从表2和图1可看出，当温度保持恒定时，溶液浓度相同时，雷诺数随压差增加而增大，当溶液浓度在0.025%，雷诺数到达最大值；②当温度保持恒定时，溶液浓度在0.005～0.025%时，雷诺数随浓度增加呈增加趋势； 溶液浓度在0.025～0.030%时，雷诺数随溶液浓度增加呈减小趋势。

3.2 黄原胶浓度对减阻的影响

（1）从表2和图2可看出，同一浓度情况下，糙率系数n随沿程水头损失hf的增加而减小， 其中浓度为0.025%，糙率系数值n最小。

（2）从表2和图2可看出，同一浓度情况下，除个别点外， 糙率系数Δn随沿程水头损失hf的增加而增加。 其中当液浓度为0.025%，糙率系数的变化量Δn是最大的。

（3） 从表3可看出黄原胶溶液浓度在0.005%～0.025%区间内逐渐增加时， 减阻率δ和增输率κ逐渐增加；浓度在0.025%～0.030%间增加时，减阻率δ和增输率K是逐渐下降；当浓度为0.025%时，减阻率δ和增输率K均为最大值； 由此得出浓度为0.02%～0.03%时，阻效果相对较理想。

表3 减阻率、增输率计算成果

3.3 压差对减阻的影响

从表2和图3可看出，试验结果表明：①在压差hf（水头损失）不变时，浓度在0.005%～0.025%时，随着浓度的逐渐增大，雷诺数逐渐增加，流量逐渐增大，糙率系数n逐渐减小， 且减小趋势较强； 浓度在0.025%～0.03%时，随着浓度逐渐增大，雷诺数逐渐减小，流量逐渐减小，糙率系数n逐渐减小，但减小趋势变弱。 ②当压差hf（50～500cm）逐渐增大，且浓度在0.005%～0.025%时，随着浓度逐渐增大，雷诺数逐渐增加，流量增大，糙率n逐渐减小，且趋势逐渐加强；当浓度在0.025%～0.03%时，随着浓度增大，雷诺数减小，流量减小，糙率n减小，且趋势逐渐减弱。

3.4 流量对减阻的影响

从表2和图4可看出，浓度在0.005%～0.025%逐渐增加时，管道中的输水能力逐渐增大，增输率ΔQ逐渐增大，其中浓度为0.025%时，增输率最大；从表2可看出，浓度在0.025%～0.030%区间逐渐增加时，管道中的输水能力相对对于参照组来说是增加的， 但增输率ΔQ逐渐减小；同一浓度时，随着压差增加，流量也出现增加趋势。

3.5 流速对减阻的影响

从表2和图5可看出，浓度在0.005%～0.025%之间逐渐增加时， 管道中的输水能力逐渐增大， 增输率ΔQ逐渐增大，流速呈增加趋势，其中浓度为0.025%时，增输率最大，流速也增到最大；从表2可看出浓度在0.025%～0.030%间逐渐增加时，管道中的输水能力相对对于参照组来说是增加的，但增输率ΔQ逐渐减小，流速呈下降趋势；同一浓度时，随着压差增加，流速也出现增加趋势。

4 结语

（1）不同浓度黄原胶水溶液，运用沿程水头损失实验仪，通过对压差的控制，使水流进入湍流状态，量测流量和水温。通过分析计算得出，黄原胶水溶液具有减阻功能，当黄原胶水溶液浓度为0.02%～0.03%时，黄原胶水溶液减阻效果相对较为理想，当水溶液浓度为0.025%时，减阻率δ和增输率κ均出现最大值，流速、雷诺数也到达最大值。

（2）相关研究表明，黄原胶水溶液的减阻存在明显的管径效应， 试验仅在单一管径下分析不同浓度黄原胶水溶液减阻效果， 试验结论具有一定的局限性， 下一步需对不同管径不同浓度的情况进行组合分析，进一步探索黄原胶水溶液的减阻效果。