不同质量分数NaCl和温度对黄原胶减阻特性影响的试验研究

林玉莹，徐晟轩，赵文斌，李明义，李昌烽

(江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

黄原胶(XG)又称黄胶、汉生胶，是一种天然多糖和重要的生物高聚物.从化学结构来看，黄原胶是由D—葡萄糖、D—甘露糖、D—葡萄糖醛酸、乙酸和丙酸组成的“五糖重复单元”聚合而成的生物高分子聚合物，相对分子量[1]在2.0×106～5.0×107，属刚性聚合物.由于相对分子量较大，分子链具有长直链的特点，并且主链上带有少量较大的侧链，这些结构特性使其在去离子水和离子溶液中都表现出较好的剪切稳定性，是一种很好的减阻剂.

将少量高分子聚合物添加到湍流流体中发生阻力明显减少的现象被称作“Toms 效应”[2]，随后，该现象吸引了众多学者对高分子减阻技术的广泛研究.发现在减阻剂的实际使用中(如原油开采、城市排涝泄洪等)，NaCl总是不可避免的存在，其能改变黄原胶的分子构象，造成减阻效果的差异.早期研究中，KAMEL等[3]研究了温度和溶剂NaCl质量分数对具有2种分子量的阴离子聚丙烯酰胺在直圆管中的减阻性能影响.WYATT等[4]通过试验研究了黄原胶溶液在不同溶剂环境中的均质减阻和非均质减阻的特性区别.HONG等[5]采用转盘装置研究了0，0.01，0.10 mol/L的KCl对黄原胶溶液质量分数(0～0.02%)的减阻率和抗剪切特性的影响，发现KCl能显著降低XG溶液的减阻率.ANDRADE等[6]在旋转圆柱双间隙装置内研究了质量分数、雷诺数、NaCl质量分数3种因素对聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺和黄原胶溶液减阻性能的影响，发现NaCl的存在会降低聚氧化乙烯和黄原胶的最大减阻率，对聚丙烯酰胺溶液的最大减阻率影响并不明显.HABIBPOUR等[7]在钢管中研究了黄原胶和阴离子聚丙烯酰胺混合溶液在2%KCl条件下的减阻性能，发现二元溶液中黄原胶的存在明显降低了NaCl对阴离子聚丙烯酰胺分子的负面影响.袁益超等[8]将拉伸高分子自洽的线性等效黏度模型应用于Navier-Stokes方程，对湍流减阻多级转换特性及湍流特性进行了数值分析研究.关于XG/NaCl溶液减阻特性的研究中缺乏对NaCl质量分数的细致区分，且试验装置基本均使用转盘装置.WYATT等[9]使用了圆管进行试验，但NaCl质量分数却相对单一，缺乏对比.

文中采用直径为20 mm的水平光滑圆管，对不同质量分数NaCl黄原胶溶液进行减阻特性试验，主要研究黄原胶溶液的NaCl效应、温度效应和NaCl对溶液减阻类型的影响.

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

试验在团队自行搭建的湍流减阻试验台[10]上进行，如图1所示.其中管道AE段为有机玻璃管，管径20 mm.BC段为压差测量段，长2.0 m.AB段为发展段，长2.8 m，根据WHITE[11]提出的经验公式，在压力测量点B之前，AB段的长度应满足不小于138倍管径的长度，2.8 m的发展段满足试验管道克服湍流流动入口效应要求.

图1 减阻特性试验装置原理图Fig.1 Schematic of drag reduction characteristic experimental rig

试验采用TOP301S差压变送器测量测试段BC两端的压降水头，其测量精度可达0.25%；采用体积法与电磁流量计2种方式测量流量，体积法测量流量的精度为0.22%，电磁流量计的测量精度为0.10%；以变频器调节离心泵的转速，并配合布置在各管道上的阀门控制管道流速；在储液箱和测量槽位置采用温度计测量溶液温度，试验过程中溶液温度波动可控制在±1 ℃内；最终造成阻力系数的最大相对误差为0.44%，减阻率的相对误差为0.85%.

1.2 溶液配制

黄原胶采用淄博中轩生化有限公司生产的商业食品级产品，试验溶剂为自来水.首先按试验方案配制母液1%并搅拌均匀，静置24 h以保证黄原胶充分溶解于水.对于黄原胶水溶液，将母液加入储液箱，然后用自来水稀释充分搅拌，静置20 h确保试验时母液与水混合均匀；由于极浓的黄原胶母液呈电中性，构象本质上与静电作用无关，NaCl很难与黄原胶分子结合[12].因此对于含NaCl溶液的配制，在母液加入储液箱用自来水稀释、搅拌并静置8 h后，加入所需相应质量分数的NaCl，随后再次静置12 h，确保NaCl与黄原胶分子充分融合，用于试验.此外，考虑到离心泵叶片对高分子链长时间的剪切会造成对分子链的破坏，从而降低减阻效果，因此所有溶液不重复使用，每次试验约2 h.

1.3 试验方法

试验主要控制参数有:① 试验管道直径：20 mm；② 黄原胶质量分数为0.01%～0.06%，NaCl质量分数为0～0.1%；③ 流速及雷诺数；④ 试验水温：10 ℃和20 ℃.

试验过程中需测量体积流量Q及点B,C的压降水头Δh.

减阻试验流速采用流动雷诺数Re的计算式为

(1)

式中：U为管道断面的平均流速，m/s；D为管径，m；v为溶剂的运动黏度，m2/s.

圆管流动中流体流动的沿程阻力系数λ计算公式为

(2)

式中：l为试验管段管长，m；g为重力加速度，m/s2.

同一雷诺数下，减阻率DR的计算公式为

(3)

式中：λw为清水圆管流动的沿程阻力系数.

2 试验结果分析

2.1 NaCl质量分数效应

为研究不同质量分数NaCl对黄原胶溶液减阻性能的影响，在黄原胶稀溶液质量分数(0.01%～0.02%)和浓溶液质量分数(0.05%～0.06%)内进行XG/NaCl溶液减阻特性试验，得到XG/NaCl溶液的减阻率DR随Re数的变化，结果如图2所示.

图2 不同质量分数黄原胶溶液在不同质量分数NaCl下减阻率随Re数变化的曲线对比Fig.2 Comparison of curves of drag reduction vs. Re number for different concentrations XG solution at different concentrations of NaCl

从图2a,2b中可以看出：在较高Re数流动中随着NaCl质量分数的增加黄原胶溶液的饱和减阻率降低，但在低Re数流动中表现出不同的趋势.对于0.01%黄原胶溶液，当Re数小于10 000时XG/NaCl溶液的减阻率更高，随着Re数的升高XG/NaCl溶液减阻率上升较缓，只有当Re数大于20 000时其减阻率才低于黄原胶水溶液.在NaCl质量分数为0.10%时溶液减阻率随Re数的变化很小，表现出与Re数很低的相关性.对于0.02%的黄原胶溶液，XG/NaCl溶液减阻率在Re数为25 000后才低于水溶液.此外，还发现NaCl的加入导致XG/NaCl溶液达到稳定减阻率的Re数大幅提前.黄原胶水溶液减阻率达到稳定均在Re数大于45 000之后发生；而0.10% NaCl的加入导致0.01%黄原胶溶液在Re数约为25 000便达到稳定.另外，从图2c,2d中可以发现，相对于黄原胶稀溶液，NaCl分子对0.05%和0.06%两种浓溶液减阻率随Re数变化的影响均较小，在试验的Re数内含NaCl溶液曲线均略高于水溶液曲线.2种质量分数的黄原胶溶液在低Re数下含NaCl溶液的减阻起始点大致相同，对比水溶液也仅略有前移；而在高Re数下NaCl的加入确实能增加0.05%和0.06%饱和溶液的减阻率，但不同NaCl质量分数的XG/NaCl溶液最终的饱和减阻率的差异较小.

2.2 NaCl对减阻类型的影响

依据不同的减阻特性把高分子减阻剂分为A型和B型减阻，A型和B型减阻中的阻力系数变化特性[13]如图3所示.图中L为牛顿流体层流流动特性曲线,N为牛顿流体湍流流动特性曲线，M为最大减阻渐近线.A型减阻的特点是与N线有一个交点，即减阻起始点O；B型减阻的特点是在低雷诺数下没有减阻起始点特征，高雷诺数下阻力系数曲线基本平行于N线.

图3 A型和B型减阻特性示意图Fig.3 Scheme of friction law for type A and B drag reductions

为探究NaCl对黄原胶溶液减阻类型的影响，比较XG水溶液和所选取的XG/NaCl (CNaCl=0.10%)溶液试验数据，绘制了不同质量分数黄原胶溶液的减阻类型特征，如图4所示.从图4a中可以看出，在水溶液中，低质量分数0.01%的黄原胶溶液大致遵循B型减阻类型，其摩擦阻力系数曲线始终平行于N线.当溶液质量分数大于或等于0.02%时，其摩擦阻力系数曲线开始在低雷诺数下平行于L线与N线相交且交点随着质量分数的上升逐渐后移；随后在高雷诺数下平行于N线，即黄原胶溶液的流动减阻特征实现了从低Re数下A型到高Re数下B型的转换.在0.10% NaCl条件下溶液减阻类型可见图4b.与水溶液相似，当溶液质量分数大于或等于0.03%时同样具有从低Re数下A型到高Re数下B型的转换特征；当质量分数低于0.03%时大致遵循B型减阻类型.

图4 黄原胶溶液在2种NaCl质量分数下的减阻类型曲线

Fig.4 Drag reduction type curves of XG solution at two NaCl concentrations

这种现象与GASLJEVIC等[14]的试验结果一致，即黄原胶溶液的流动减阻特征可以从低Re数下的A型减阻转变为高Re数下的B型减阻.这是由于黄原胶分子中的官能团较多，彼此极易直接相互接触，通过氢键、静电力以及非极性共价键相互缠绕、聚集成一种无规则、杂乱卷曲的大分子线团.因此需要一个相对较大的壁面剪应力才能完成相应的拉伸和变形.当Re数足够大时，聚集的大分子线团被充分拉伸至极限，此时溶液摩擦阻力系数曲线又平行于N线，其减阻率也不再升高.

为了更清楚地进行分析，对0.02%和0.05%黄原胶水溶液和NaCl(0.10%)溶液下的减阻类型逐一进行对比，如图5所示.可以看出，NaCl的加入对低质量分数的黄原胶溶液有较大影响，0.02%黄原胶溶液最终完全转化为了B型减阻类型，即便在低雷诺数下摩擦阻力系数曲线也平行于N线，随雷诺数的升高与N线始终平行.NaCl的加入导致黄原胶分子中的静电力得到了中和，使两条分子链更容易结合，通过盐桥使单螺旋结构几乎完全转变为双螺旋结构[15]，溶液中分子链的质量分数下降，复合的二级结构也由此产生了解体，无规则、杂乱的卷曲的大分子线团出现破碎的现象，仅存在单独的双螺旋黄原胶分子与流动耦合.因此NaCl能促进0.02%的XG/NaCl溶液在大管径中完全转化为B型减阻.

图5 2种质量分数黄原胶NaCl/水溶液减阻类型对比Fig.5 Comparison of drag reduction types of XG NaCl/aqueous solution at different concentrations

对于0.05%黄原胶浓溶液NaCl的影响甚微，其摩阻曲线几乎完全重合，在低雷诺数下平行于L线，随着Re数的增长逐渐平行于N线，具有在低Re数下A型转变为高Re数下B型的特征.浓溶液中黄原胶分子出现聚集和缠结，通过共价键形成致密的网状超级大分子团，抑制了解体现象，有效地保护了构象的稳定.

2.3 温度效应

为研究温度变化对黄原胶减阻特性的影响，在10 ℃和20 ℃下测量了各质量分数黄原胶溶液沿程阻力系数λ随Re数之间变化关系，试验结果如图6所示.

图6 10 ℃和20 ℃下溶液λ-Re曲线Fig.6 λ-Re curves of solution at 10 ℃ and 20 ℃

对比图6a,6b，可以发现黄原胶溶液在不同温度下减阻特性的区别主要体现在低雷诺数段，即减阻的起始，黄原胶溶液在低温(10 ℃)下的减阻起始雷诺数明显高于高温(20 ℃)下的减阻起始雷诺数.2种温度下随着雷诺数的增大，黄原胶溶液沿程阻力系数λ均逐渐趋于稳定，平行于N线.选择将0.02%，0.04%，0.06%这3种质量分数溶液在2种温度下的λ-Re曲线共同绘于一张图中，如图7所示.

图7 2种温度下0.02%，0.04%，0.06%溶液λ-Re曲线对比

Fig.7 Comparison of λ-Re curves of 0.02%,0.04% and 0.06% solutions at different temperatures

从图7中可以发现：在高Re数下，溶液减阻特性对温度变化的影响较为稳定，两者曲线重合度较高，并没有明显的区别.在低Re数下，3种质量分数溶液受温度变化的影响均较为显著，温度越高，沿程阻力系数λ越低，越接近V线，表现出更好的减阻效果.通过2种温度下黄原胶溶液减阻特性曲线的对比，在高温下黄原胶溶液的沿程阻力系数稳定较快，溶液的阻力系数平行于N线所需的雷诺数也越小.在高温下，黄原胶分子链较为伸展，分子构象相对无序，在雷诺数较低时能与流动更好地耦合.但随着Re数的增大剪切强度增强，黄原胶分子本身被高度拉伸，活化能的绝对值也随剪切速率增大而降低[16]，减阻效果也就无法产生显著差异.

3 结 论

1) 黄原胶稀溶液范围内，较高雷诺数流动中随着NaCl质量分数的增加，黄原胶溶液的饱和减阻率降低，但在低Re数流动中表现出不同的趋势，而且NaCl的加入导致黄原胶溶液达到稳定减阻率的Re数大幅提前；黄原胶浓溶液范围内，NaCl的加入对黄原胶浓溶液减阻率随雷诺数变化的影响均较小.

2) 在0.10%NaCl条件下，当溶液质量分数低于0.03%时大致遵循B型减阻类型；当黄原胶溶液质量分数大于或等于0.03%时，溶液具有从低Re数下A型减阻到高Re数下B型减阻的转换特征.

3) 黄原胶溶液在低雷诺数下对温度的变化较为敏感，随着温度的提高出现减阻的提前；但在高雷诺数下又逐渐趋于稳定，在不同的温度下均具有相近的减阻效果；同时温度升高也有利于黄原胶溶液更早地达到稳定.