表面活性劑湍流減阻研究進展

魏進家，黃崇海，徐娜

（西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

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表面活性劑湍流減阻研究進展

魏進家，黃崇海，徐娜

（西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

摘要：表面活性劑較高分子聚合物在流體管道輸運中具有可逆機械降解特性的優(yōu)點，更適用于存在高剪切的場合以及封閉的循環(huán)回路進行減阻，但存在對其復雜流變特性及減阻機理認識不完善的問題，使得其在減阻領域的應用受到了限制。本文回顧了作者近年來在表面活性劑溶液微觀結構、復雜流變學特性、湍流結構以及其與減阻和傳熱性能之間的內在聯系方面的研究進展；介紹了表面活性劑減阻和壁面微溝槽協(xié)同作用減阻的研究成果；指出通過拉伸流的方式能夠在壓損較小的情況下更有效地提高表面活性劑溶液的傳熱性能。針對表面活性劑現有研究的不足，本文提出4條建議作為表面活性劑的未來研究方向，分別為開發(fā)環(huán)境友好型高效表面活性減阻劑、強化換熱裝置的優(yōu)化設計及優(yōu)化布置、表面活性劑與其他減阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性劑在尺度放大、防腐和減阻持久性方面的實際工業(yè)應用研究。

關鍵詞：表面活性劑；湍流；流變學；傳熱

第一作者及聯系人：魏進家（1971—），男，博士，教授。主要從事非牛頓流體減阻及強化傳熱方面的研究。E-mail jjwei@mail.xjtu.edu.cn。

在長距離管道流體輸運中，絕大部分的流體輸送能耗來源于管道壁面的摩擦阻力。對于能源緊缺的今天，尤其是像我國這樣處于發(fā)展中且人均資源占有量較低的國家來說，節(jié)約能源以及能源的高效利用已經成為了當前研究的重點和亟待解決的問題。減阻添加劑的使用能極大地減少流體在壁面的摩擦阻力，減阻效果高達80%，具有重要的節(jié)能價值。相比于聚合物減阻劑，表面活性劑具有可逆的機械降解性質，在高剪切力場合以及封閉式循環(huán)系統(tǒng)如集中供暖系統(tǒng)中有著極大的優(yōu)勢以及更為廣泛的應用前景[1-4]。

由于表面活性劑溶液在不同的剪切力作用下，其內部的單體分子會形成不同形狀的微觀膠束結構，比如球狀、棒狀、蠕蟲狀、網狀等，而這些不同的微觀結構又能夠影響表面活性劑溶液的流變性能，使其在不同剪切力下表現不同的流變特性；而流變特性又會影響流體內部的湍流結構，從而進一步影響表面活性劑溶液的減阻性能。因此，為了認識表面活性劑溶液的內在減阻機理，對其微觀結構、流變特性及流體內部湍流結構的研究成為了國內外眾多學者關注的焦點之一。

然而，表面活性劑在高效減阻的同時，其換熱性能將會極大地惡化，這主要是由其內部微觀結構對流體湍流強度的抑制作用造成的，從而導致了表面活性劑溶液傳熱性能惡化的現象。因此，為了進一步擴大表面活性劑在換熱領域的應用，其強化傳熱也成為了研究的焦點。

當表面活性劑溶液發(fā)生減阻作用時，其流體內部的湍流渦結構會受到由表面活性劑形成的剪切誘導結構的抑制，從而使湍流結構發(fā)生改變。這一特點則為通過影響湍流結構實現減阻的其它減阻方法提供了可能的條件，為表面活性劑與其它適當的減阻方式相結合的耦合減阻研究提供了指導。因此，表面活性劑與其它減阻方式耦合進行高效湍流減阻的研究也是當前的研究熱點。

綜上所述，為了全面認識表面活性劑溶液的減阻機理，提高其在節(jié)能方面的應用價值和范圍，就需要對其微觀結構、流變特性、減阻特性、湍流結構特征、強化傳熱以及與其它減阻方法協(xié)同作用的耦合特性進行系統(tǒng)的研究。本文對作者近年來在表面活性劑湍流減阻方面的最新研究進展進行綜述，并與其它同類研究進行了對比分析。首先總結分析表面活性劑溶液結構、復雜流變特性和湍流結構及其與減阻和換熱性能之間的內在聯系，然后闡述表面活性劑和壁面微溝槽協(xié)同作用減阻性能與機理，并介紹表面活性劑減阻的實際工程應用，最后對表面活性劑減阻在今后的研究重點提出建議。

1　表面活性劑溶液的流變特性及其微觀結構

1.1 表面活性劑溶液的剪切黏度

靜態(tài)溶液中，表面活性劑分子可以自組裝形成不同形式的膠束結構。常見的膠束結構有球狀、棒狀（又叫做蠕蟲狀、絲狀等）、囊泡狀、層片狀以及網狀等[5]。剪切條件下，表面活性劑膠束體系會形成剪切誘導結構（SIS）或叫剪切誘導相（SIP），引起剪切黏度的增大，即所謂的剪切增稠現象。表面活性劑溶液中剪切誘導結構的形成與其湍流減阻能力有直接關系，但迄今為止，對于減阻機理的認識仍不夠深入和徹底。表面活性劑溶液中膠束組織的狀態(tài)隨濃度、溫度和剪切速率而不同，對應的剪切黏度也不同。為了深入研究表面活性劑溶液剪切黏度的變化規(guī)律，對不同濃度的十六烷基三甲基氯化銨/水楊酸鈉體系（CTAC/NaSal）進行了一系列的流變測試。

根據魏進家等的測試結果[6]，低濃度表面活性劑溶液的剪切黏度與水接近，顯示了牛頓流體特性；但對于較高濃度溶液，所有測得的剪切黏度均比水高。對于一定的剪切速率，不同濃度溶液均存在一個臨界溫度Tc。在Tc之上，剪切黏度快速下降至水的黏度值，且溫度對剪切黏度的影響在Tc之前并不明顯。一般地，在Tc之前，剪切黏度隨剪切速率的增加而減小，顯示了剪切稀化特征。溶液出現較高的剪切黏度是由于其內部形成了膠束網狀構造，而臨界溫度則是對應于網狀結構開始遭到破壞的溫度。此外，利用非線性應力項的Giesekus模型對剪切黏度進行模擬計算，并將計算值與實驗數據進行對比，以考察該模型的適用性。結果表明，通過選擇合適的模型參數，Giesekus模型能很好地擬合實驗數據。

馬寧等[7]對中等濃度的CTAC/NaSal水溶液進行了測試。結果表明，一定濃度范圍內溶液的剪切黏度隨剪切速率的增大可以分為剪切稀化-剪切增稠-剪切稀化3個階段，且增稠段隨著濃度增大不斷縮短甚至消失。也就是說，剪切誘導結構的形成隨濃度升高越來越不明顯，由此，對于高濃度的減阻溶液來說，剪切誘導結構可能不是引起減阻現象的必須因素。但總體來說，剪切黏度隨濃度不斷升高。通過對剪切黏度與剪切速率之間的擬合可發(fā)現，對于剪切黏度具備完整的3個變化階段的溶液來說，溶液在增稠前后的剪切黏度與剪切速率的對數成正比。

考慮到現有的試驗中，通常是給表面活性劑溶液施加一個不斷增大的剪切應力/速率來研究其黏度的變化，這就存在一個問題：由于剪切應力/速率是不斷增大的，一些微弱而短暫的黏度變化很可能會被掩蓋掉?；诖?，徐娜等[8]測試了非常低濃度的CTAC/NaSal水溶液的剪切黏度在恒定剪切速率下隨時間的演化過程。此外，在研究表面活性劑溶液增稠機理時，大部分研究者都只關注“誘導時間”以后剪切黏度的變化情況，而很少有人注意到施加剪切的初始階段溶液黏度的瞬間變化，這其實是不合理的。因為黏度初始階段的變化是后續(xù)一切變化的基礎，拋開增稠的基礎去研究增稠機理是不全面的。因此，徐娜等的實驗完整記錄了施加剪切后溶液黏度的變化情況（0～10000s），以期能從根本上弄清表面活性劑溶液剪切黏度隨時間變化的機理。根據測試，剪切黏度的演化可以分為5個階段（圖1）：弱剪切黏度增長期（第Ⅰ階段），弱剪切黏度下降和穩(wěn)定期（第Ⅱ階段），黏度急劇增長期（第Ⅲ階段），震蕩調整期（第Ⅳ階段），基本穩(wěn)定期（第Ⅴ階段）。

圖1 表面活性劑溶液剪切黏度演化曲線(1000μL/L，20oC，5s?1)

第Ⅰ階段中，在剪切作用的拉扯下，膠束的構形熵下降，導致單個膠束長度增加，膠束纏結程度升高，由此導致了剪切初期表面活性劑溶液黏度的弱增長。然而在以往的研究中，此黏度弱增長現象經常被忽略。不可否認，忽略此現象對研究后期剪切誘導時間并沒有太大的影響，然而這個階段黏度的增長卻對研究后期顯著的剪切黏度變化的機理有著很大的影響，因為后續(xù)黏度的一切變化均以此階段為基礎。第Ⅱ階段中，剪切黏度先下降，隨后達到穩(wěn)定，其中，黏度的下降是由于膠束解纏引起的。隨著剪切的進行，溶液中逐漸形成一些膠束團，這些膠束團的形成消耗掉了來自流變儀的剪切能，從而使溶液的剪切黏度能夠維持在一個基本恒定的狀態(tài)。隨著數量的增加，這些膠束團之間不可避免的相互融合形成更大的膠束團，當融合后的膠束團的體積超過一定尺度后，溶液中快速形成大的剪切誘導結構，溶液的剪切黏度隨之迅速增大，這就是第Ⅲ階段。根據作者的研究結果，膠束團在剪切內壁面上的“粘-滑”作用引起流體的動力不穩(wěn)定，導致膠束纏結增多，繼而加劇了流動不穩(wěn)定性。這種反饋作用最終導致了大型膠束剪切誘導網狀結構的形成?？梢钥隙ǖ氖牵z束網狀結構的形成是非各向同性的。而短時間內形成的剪切誘導網狀結構必然存在因為交聯不均勻而導致的結構缺陷，在內剪切壁面附近膠束的“粘-滑”作用下，因為應力集中就形成了剪切誘導網狀結構的破裂和重組過程。第Ⅳ階段中，剪切黏度的變化非常復雜，黏度的增大或下降，主要看剪切誘導網狀結構的發(fā)展情況（跟溶液的濃度、剪切速率和溫度有關）。第Ⅴ階段中，剪切黏度在不斷的震蕩調整后達到一個基本穩(wěn)定值，此時溶液中形成充分發(fā)展的剪切誘導網狀結構。

1.2 溫度和剪切的協(xié)同作用對表面活性劑溶液剪切黏度的影響

影響表面活性劑溶液中膠束結構的因素主要有：表面活性劑分子的結構、溶液的濃度、反離子的種類及濃度、溫度、溶液的pH值，以及溶液受到的剪切強度等。而在實際應用中，表面活性劑溶液是確定的，因此影響其溶液中膠束結構的主要因素是溫度和剪切強度。過去的幾十年里，對于剪切作用影響的研究已經非常深入和廣泛；同樣，對于溫度作用的研究也非常多。溫度對表面活性劑的溶解度影響很大，當溫度低于一定值時，表面活性劑分子會從溶液中結晶析出。對于非離子型表面活性劑溶液，這個析出溫度稱為濁點。而對于離子型表面活性劑溶液，早期研究認為這個析出點應該是所謂的Krafft點。但是后期研究表明，即使溫度低于Krafft點時，在沒有外力作用下，表面活性劑溶液依然能夠保持清澈無晶體析出。所以對于離子型表面活性劑溶液，真正的結晶析出溫度低于Krafft點。當溫度高于結晶溫度但低于Krafft點時，離子型表面活性劑溶液處于一種類似凝膠態(tài)的亞穩(wěn)狀態(tài)[9-10]。研究表明，當溫度高于濁點或Krafft點時，隨溫度升高表面活性劑溶液中的膠束會從有序態(tài)變?yōu)闊o序態(tài)[11]，或者從高度有序態(tài)變?yōu)榈投扔行驊B(tài)[12]，但從低度有序態(tài)向高度有序態(tài)的轉變也可能發(fā)生[13]。

在已有的對剪切和溫度獨立作用的研究基礎上，近幾年的研究著眼于溫度和剪切的共同作用對膠束結構及轉換的影響，即在恒定的剪切作用下不斷升高溫度來測試表面活性劑溶液中膠束體系的反應。從2009年至今，東京都立大學的一批學者對高濃度的非離子型表面活性劑溶液（CnEm/水體系，14≤n≤16，4≤m≤7）進行了一系列的研究[14-16]。研究表明，剪切作用下，隨溫度升高，溶液中膠束結構能夠從層片狀轉變?yōu)椤把笫[”狀，而且隨溫度進一步升高，“洋蔥”狀膠束甚至會二次轉變?yōu)閷悠瑺?。但是對于離子型表面活性劑溶液的此類研究很少。只有CAPPELAERE等[17]曾經測試過十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）的亞濃溶液。他們發(fā)現，剪切作用下當溫度升高到一定程度后溶液中會形成向列型液晶相，隨溫度進一步升高此相消失。雖然本質上溫度作用和剪切作用都是給表面活性劑分子提供能量來影響其行為，但是兩種能量的作用方式完全不同。升溫是在微觀尺度上給分子提供熱能，使得分子“主動”進行更強烈的無規(guī)則運動；而剪切則是在宏觀尺度上給分子提供動能，驅動分子進行更快地定向運動。因此，相比于剪切或溫度作用的單獨影響，在剪切和溫度共同作用下，表面活性劑溶液中膠束體系可能出現更為細微和復雜的變化。為此，徐娜等針對非常稀疏的（0.78～3.13 mmol/L）CTAC/NaSal水溶液進行了一系列此類試驗。研究表明，對于同一濃度的溶液，不同的剪切速率和升溫速度下膠束的轉變過程差異很大，如圖2和圖3所示。值得注意的是，在合適的濃度、剪切速率和升溫速度下，溶液中膠束的轉變很明顯的分成兩個階段，如圖2～圖4中具有“雙峰”的黏溫曲線。針對此試驗結果，建立了分子尺寸變化與剪切和溫度的作用之間的關系式。從中可以發(fā)現，不管是剪切還是溫度，對膠束的轉變都具有兩面性。因此膠束尺寸的變化取決于這兩個作用強度的“匹配”程度。

1.3 表面活性劑溶液剪切黏度與膠束聚集數關聯分析

圖2 升溫速度為0.0167 oC/s時，濃度為1.25 mmol/L的溶液在不同剪切速率下的黏溫曲線

圖3 剪切速率為5s-1時，濃度為1.875 mmol/L的溶液在不同升溫速度下的黏溫曲線

圖4 剪切速率為5s-1，升溫速度為0.0167 oC/s時，不同濃度溶液的黏溫曲線

膠束聚集數（Nm）是表面活性劑溶液在理論研究和實際應用中最基本、最重要的參數之一。表面活性劑溶液剪切黏度的變化伴隨著膠束聚集數的改變，因此獲取膠束聚集數與剪切黏度之間的關聯關系具有非常重要的意義。膠束聚集數的常用測定方法有光散射法和熒光法。ZHOU等[18]采用穩(wěn)態(tài)熒光猝滅法測試了不同表面活性劑溶液的膠束聚集數隨溫度、溶液濃度、抗衡離子比率的變化規(guī)律，并推測了溶液內部膠束結構的對應變化規(guī)律。

實驗中發(fā)現，隨著表面活性劑溶液濃度的增加，膠束聚集數隨之增加，這個過程中膠束聚集數的變化有兩個顯著特征：第一，膠束聚集數階躍性變化，并且對于十二烷基硫酸鈉溶液，Nm發(fā)生突變的濃度區(qū)域與用Cryo-TEM觀察到膠束形狀改變的濃度區(qū)域基本吻合；第二，十二烷基硫酸鈉和十二烷基磺酸鈉溶液在低濃度下（約4～10倍于臨界膠束濃度），Nm與表面活性劑溶液濃度似有線性相關性。而這個濃度區(qū)域恰恰是很多表面活性劑溶液的減阻工作區(qū)。試驗還發(fā)現表面活性劑分子的聚集有無機鹽效應，即Nm隨著NaCl濃度的增加而增大，這是因為NaCl能促進表面活性分子的自組裝。但是減阻率并不會隨著反離子（如NaSal）濃度的增加而持續(xù)增大，也就是說并不是膠束聚集數越大減阻效率越高。

1.4 表面活性劑溶液的拉伸黏度

拉伸黏度的測量相對于剪切黏度困難的多，在流變學中一直是一個難點。對于高黏度的高分子和表面活性劑溶液，有一些有效的測量方法如均勻拉伸、收縮流、開式虹吸等，但這些方法都不適合于稀疏的低黏度表面活性劑溶液。FULLER等[19]第一次提出了對向噴嘴模型來測量低黏度溶液的拉伸黏度。但通過對向噴嘴裝置測得的值并不是流體的實際拉伸黏度，它還包含動壓噴嘴的剪切和流體慣性等的影響。DONTULA等[20]更進一步指出流體的剪切黏度過低時，采用對向噴嘴裝置測得的拉伸黏度并不可靠。所以建議對向噴嘴裝置用作定性測量而不是定量測量拉伸黏度。

盡管如此，拉伸黏度目前最佳的可選測量裝置仍是FULLER等首次提出的RFX流變測量裝置，魏進家等[6]利用此裝置測試了一組CTAC/NaSal水溶液的拉伸黏度，如圖5所示。可以看出，拉伸黏度在一定程度上受噴嘴尺寸的影響。這可能是由于低濃度表面活性劑溶液具有非常復雜的流變特性，測量本身往往會引起測試樣品的性能變化。溫度對拉伸黏度在大的拉伸率下的影響很小。在小拉伸率時，拉伸黏度隨溫度增加而降低。濃度對拉伸黏度的影響也很小。為了比較，圖5中也給出了RFX所測得的水的數據?？梢钥闯觯鶞y表面活性劑溶液與水的拉伸黏度沒有明顯的差別。對于水得到的拉伸黏度與拉伸率有關，這是不合理的，因此對向噴嘴裝置確實只能用作定性測量拉伸黏度。如何能夠精確定量測量低剪切黏度下表面活性劑溶液的拉伸黏度并與減阻現象相聯系還是目前面臨的一個挑戰(zhàn)。

圖5 拉伸黏度與拉伸率的關系

1.5 自由面旋轉流表征表面活性劑溶液黏彈性的方法

表面活性劑的湍流減阻現象是由其黏彈性所決定的，借助對黏彈性的測量可以進行減阻表面活性劑溶液的判別。但目前商用流變儀無法測出低濃度表面活性劑溶液的第一正應力和彈性模量。為此，SIGINER提出了一種利用自由面旋轉流的自由面形狀來獲取黏彈性流體本構方程信息的思想[21]。魏進家等[22]借用這一思想，利用PIV對CTAC/NaSal水溶液進行測試。試驗發(fā)現，表面活性劑溶液自由面中心的下陷深度h＇與水相比非常小，且隨表面活性劑溶液的質量分數增大而減小。雖然試驗中表面活性劑溶液的彈性數非常小，但彈性仍對自由面的形狀和二次流的產生有很大的影響，因此利用自由面旋轉流中自由面形狀對微小彈性的敏感性可以代替流變特性測量，來進行表面活性劑溶液減阻能力的判斷，如圖6所示，在自由面中心下陷深度突然變小的臨界狀態(tài)即為產生減阻性能的開始。因此，一個臨界h＇值可用于判斷引起減阻的黏彈性閥值，從而克服小黏彈性情況下利用商用流變儀測量無法判別表面活性劑溶液有否減阻能力的困難。

1.6 表面活性劑溶液的分子動力學和布朗動力學數值模擬

表面活性劑溶液流變性和微結構的實驗研究為理解減阻機理提供了參考。但實驗方法在同時測量流變性瞬態(tài)變化與膠束微結構的變化上存在一定困難。模擬方法從膠束微結構出發(fā)，研究隨膠束運動系統(tǒng)應力的變化，從膠束微結構變化獲取流變特性。目前的模擬主要采用分子動力學方法模擬膠束的形成，用布朗動力學方法模擬膠束如何形成網狀結構以及其對流體流變特性的影響。

為了成功模擬表面活性劑溶液內部的網狀構造，魏進家等[23-25]采用一個組合勢作用模型來描述溶液內棒狀膠束相互之間的作用。將表面活性劑視為一個懸浮在黏度為ηs的連續(xù)流體介質中的N個剛性棒狀膠束所構成的系統(tǒng)，即假定棒狀膠束是由n個均勻分布的直徑為σ的球體依次線性連接而構成的剛性棒，如圖7所示。

圖6 自由面中心下陷深度與減阻性能的關系

圖7 棒狀膠束模型及其相互作用示意圖

棒狀膠束之間具有勢作用力，棒狀膠束和連續(xù)介質之間具有水力學作用且棒狀膠束受到溶劑的布朗力作用。網狀膠束結構可以看作是由棒狀膠束通過端部的相互聯結所形成，為成功模擬網狀結構的形成，對于兩棒端部球體之間的作用采用Leonard-Jones 勢模型；為了防止膠束相互重疊，對兩棒內部球體之間的相互作用采用具有排斥作用的軟球勢模型。這種組合的勢作用模型稱為WK勢作用模型，這與傳統(tǒng)的布朗動力學數值模擬所采用的單勢作用模型不同。結果顯示，在低剪切率下可得到表面活性劑溶液內部的網狀膠束結構，該網狀結構在高剪切率下遭到破壞。而且隨剪切率增大，棒狀膠束逐步變得與剪切流場流動方向一致。剪切黏度和第一正應力系數呈現剪切稀化特征，在加入WK勢作用時數值明顯增大，而且此特征與棒狀膠束隨剪切率的增大指向流動方向的現象密切相關。剪切黏度和第一正應力系數隨濃度增大而增大。

圖8 膠束的剛性棒狀模型

圖9 施加流場后膠束系統(tǒng)剪切應力隨時間的變化

在此基礎上，張成偉等[26]采用膠束的持久長度[27]作為剛性膠束棒的長度將傳統(tǒng)的球鏈模型改為棒狀模型（圖8），結合布朗動力學方法，對表面活性劑稀溶液膠束體系進行了研究（圖9和圖10）。與球鏈模型相比，棒狀模型的優(yōu)勢在于：一方面可自然表示持久長度與彎曲剛度的定量關系；另一方面，單個膠束棒可代表多個球形粒子，從而減少了計算粒子數，并進而節(jié)省計算時間。針對以往的膠束斷裂能模型，提出了一種膠束間的斷裂能模型，從而克服了膠束受力在連接點的不連續(xù)問題。對于拉伸流動，由于流場的拉長與壓縮，到壓縮方向尺度小于計算最小允許尺寸時，計算被迫停止而在大拉伸率下難以得到穩(wěn)定狀態(tài)。對于平面拉伸流采用Kraynik-Reinelt條件實現了拉伸流動的周期可重復性，從而實現任何拉伸率下的足夠長時間的計算以達到穩(wěn)定狀態(tài)，獲取穩(wěn)態(tài)拉伸黏度。結果顯示，在低剪切率或拉伸率下，膠束之間可以相互連接形成網狀結構。隨著剪切率或拉伸率的變大，網狀結構逐漸被破壞。高斷裂能可提高膠束結合強度，從而增強黏彈性和拉伸黏度。剪切率或拉伸率的增大，對剪切或拉伸稀化率的影響較??；膠束柔性的增加，會加劇溶液的剪切稀化。相比之下，剛性棒狀模型比球鏈模型可更好的預測稀疏表面活性劑溶液的流變性。

圖10 對應于圖9中a～c 3個特征點處的膠束系統(tǒng)結構

2　表面活性劑溶液減阻特性

傳統(tǒng)的表面活性劑大致可以分為陽離子型[28]、陰離子型[29]、兩性離子型[30]和非離子型[31]等，它們彼此之間有著相似的減阻特點，但卻有著各自不同的減阻效果和減阻機理，這些機理由于減阻的復雜性至今仍未能完善，但現有的研究卻能夠對往后的研究提供一定的數據和理論支持。

對于表面活性劑溶液減阻性能的研究以實驗研究為主，至今已經取得了大量的實驗研究結果[32-36]，同時也存在著一些仍需解決的問題。對于表面活性劑，其分別存在著一個最低的和最高的減阻臨界溫度，一旦溫度高于最高臨界溫度值時，則較高的布朗熱力學運動使得表面活性劑分子形成的剪切誘導結構發(fā)生斷裂破壞，從而使其減阻性能急劇下降；而當溫度低于最低臨界溫度值時，表面活性劑分子不夠活躍，因此很難形成剪切誘導結構，這也會導致其喪失減阻性能。對于當前研究中使用的絕大部分的表面活性劑，其最高臨界溫度隨著表面活性劑濃度的增加而增加，一般大于25℃，比較容易實現較高臨界溫度條件[33]；然而，對于最低臨界溫度，傳統(tǒng)的表面活性劑最低一般到15℃[37]，這就導致了低溫條件下難以實現減阻的難題。這一問題將會極大地增加管路運輸特別是在冬季情況下的泵功消耗。

當今對于表面活性劑的減阻研究，大都集中在陽離子型表面活性劑上。然而，陽離子型表面活性劑一般都帶有一定的毒性，因此限制了它的應用。而與陽離子型表面活性劑相比，兩性離子型表面活性劑具有較高的生物分解性能和較小的毒性，因此具有很高的實際工業(yè)應用價值。傳統(tǒng)的區(qū)域供冷系統(tǒng)中，常用冷卻到5℃的水來作為工作流體從總站出口處開始進行整個冷卻循環(huán)，而其返回溫度大約為15℃。而通過使用質量分數為20%的甘醇與水配比作為工作流體，可以使其初始溫度達到–5℃，如果其返回溫度也為15℃，則其傳熱溫差將比傳統(tǒng)方式要高10℃。這表明需要更小的流量即可實現相同的換熱效果，導致泵功的減少，達到節(jié)能的目的。本課題組魏進家教授和日本東京理科大學川口靖夫教授與美國俄亥俄州立大學Zakin教授等[38]共同開發(fā)出了一種新型的低溫減阻劑——兩性離子型表面活性劑N，N，N-三甲胺-N’-油酸酰亞胺（文中簡稱為ZA），并配以質量分數為20%的甘醇不凍液（EG/水）為溶劑，加入NaNO2以提高防腐性能。為了測試這種兩性表面活性劑溶液在不同溫度和濃度下的減阻特性，分別進行了濃度從50～1000μL/L，溫度從–5℃到25℃的減阻性能測試，其中溫度為–5℃下的實驗結果如圖11所示。圖12則是魏進家等[37]獲得的傳統(tǒng)表面活性劑CTAC的減阻性能曲線。其中雷諾數Re是基于溶劑的黏度進行計算的。

圖11 新型兩性離子型表面活性劑減阻性能曲線

圖12 0.234 mmol/L CTAC減阻性能曲線

對比圖11和圖12可以看出，對于新開發(fā)的兩性離子型表面活性劑ZA/EG/水和ZA/NaNO2/EG/水，其減阻曲線與傳統(tǒng)的表面活性劑減阻曲線類似，具有與傳統(tǒng)表面活性劑相同的特點。對于某一濃度的表面活性劑，其摩擦系數先隨著雷諾數的增加而減?。礈p阻率增加），然后會達到一個最小值（即減阻率達到最大），如果再繼續(xù)增加雷諾數，則摩擦系數就會回升（即表面活性劑開始喪失減阻性能），直至回到與牛頓流體一樣的摩擦系數值。曲線回升時對應的雷諾數就稱之為臨界雷諾數Rec。同時，圖11還反映了臨界雷諾數隨著表面活性劑濃度的增大而增大。圖12則反映了同一濃度下，表面活性劑的臨界雷諾數與溫度的關系：臨界雷諾數隨著溫度的增加，先增加后減小直至為零，而臨界雷諾數轉折所對應的溫度即為臨界溫度Tc。TAMANO等[39]在對非離子表面活性劑的減阻性能測試中也同樣發(fā)現了類似的臨界雷諾數現象，同時他們還將非離子表面活性劑與有機酸混合來提高臨界雷諾數和減阻溶液的有效運行時間。

與傳統(tǒng)表面活性劑只能在較高溫度下才有減阻效果不同，新開發(fā)的兩性離子型表面活性劑還具有低溫減阻的特性。通過對比圖11和圖12可以看出，對于新開發(fā)的兩性離子型表面活性劑ZA/EG/水和ZA/NaNO2/EG/水，在溫度為-5℃下仍能展現出高達65%以上的優(yōu)良的減阻效果，與傳統(tǒng)的表面活性減阻劑相比，在減阻效果上相差不大，甚至在文獻[38]中還指出了在200μL/L濃度下能獲得高達83%的減阻效果，這還要優(yōu)于部分傳統(tǒng)減阻劑的減阻效果，因此被CHARLIES教授指出這是減阻科學領域的重要進展[40]。這種新型低溫減阻劑的開發(fā)，不僅解決了管路輸運過程中的低溫減阻難的問題，同時也提高了其在換熱領域的應用價值。在換熱系統(tǒng)中，相比于傳統(tǒng)的最低減阻溫度只有15℃的減阻劑來說，最低溫度至少為-5℃的新型兩性離子型表面活性劑增大了傳熱溫差，使得在換熱量相同的情況下所需要的液體流量變少，直接減少了泵功，不僅在管路輸運過程中能通過高效的減阻達到節(jié)能的目的，還能通過減少泵功來進一步減少能源消耗。

3　湍流特征

雖然在表面活性劑減阻實驗方面取得了大量的研究成果，但由于表面活性劑流體的復雜性，其減阻機理至今仍未清晰。為了能進一步地認識表面活性劑的減阻機理，對其湍流結構的研究必不可少。近年來國內外眾多學者通過采用PIV、LDV和數值模擬等方法對表面活性劑減阻流動的湍流特征進行了大量的研究[41-43]，成功地揭示了表面活性劑減阻的部分機理，同時也得到了一些新的發(fā)現。

本課題組魏進家教授和日本東京理科大學的川口靖夫教授等為了更清楚地了解表面活性劑的內部湍流結構，也用PIV、LDV及數值模擬等方法進行了大量的研究[44-47]。其中圖13為文獻[45]中給出的由魏進家等在Re=5000時，分別對牛頓流體甘醇水溶液EG/水與50μL/L濃度、溫度為-5℃的新型低溫表面活性劑流體O12/EG/水的內部湍流結構進行的PIV測試結果。從圖13(a)中可以看出，對于甘醇水溶液這一牛頓流體來說，可以明顯地看到其內部有著各種尺度且數量較多的湍流渦運動，而且也能清晰地看到流體的上沖和下掃現象。湍流渦的劇烈運動導致了通道中心的高速流體與近壁處的低速流體之間劇烈的動量交換，使得流體內的雷諾剪切應力很大，能量耗散嚴重。

圖13 x-y平面內的瞬時速度脈動分布

然而，對于新型低溫表面活性減阻劑而言，圖13(b)中的湍流運動明顯受到了極大地抑制，流體變得十分溫和，湍流渦尺度變大，且數量較少。同時流體的上沖和下掃現象也受到了很大地抑制，表明了高低速流體之間的動量交換變少了，從而導致了垂直壁面方向和展向湍流脈動的減少以及非常小的雷諾剪切應力，最終使得溶液出現減阻現象。

研究者們在進行實驗研究的同時，也在嘗試著通過數值模擬的方法來研究表面活性劑溶液的湍流結構。但因表面活性劑復雜的流變和減阻特性，其精確的模擬研究十分困難，現有的表面活性劑溶液流動模擬主要是采用Giesekus本構模型來進行描述，而該模型參數是從流變測量數據分析擬合得到。然而，數值模擬結果與實驗條件下的結果相差較大[48-52]。這可能是因為流變研究是在層流狀態(tài)下進行的，得到的有關參數也是層流下的參數，與實驗研究中的湍流狀態(tài)不太一致造成的。雖然模擬結果無法實現與實驗結果在定量上的一致，但在定性上卻能夠反映出相同的變化趨勢，因此對研究表面活性劑減阻機理仍有著十分重要的意義。

圖14和圖15分別為文獻[48]給出的表面活性劑溶液和牛頓流體的平均速度和剪切力分布的直接數值模擬與實驗結果對比圖。從圖14中很明顯地看到兩者之間相差較大，但趨勢一致。對于表面活性劑溶液，其黏性底層速度梯度減小，對數律層上移。因此，數值模擬可以從定性上對表面活性劑溶液的減阻機理進行研究，減少因實驗所需的高成本消耗，并能為實驗提供指導。

圖14 平均速度圖

從圖15中則可以看出牛頓流體和表面活性劑溶液各個剪切應力對總剪切應力的貢獻情況，由于實驗中只能得到雷諾剪切應力，故圖15(b)中僅有雷諾剪切應力的對比。從圖中可以看出，雖然實驗與模擬結果存在差異，但趨勢一致。從圖15(a)可以看到，相比牛頓流體，表面活性劑多了一個黏彈性剪切應力的貢獻，而黏性剪切應力在近壁處受到極大的抑制，表明了近壁處的流體速度梯度的減??；同時雷諾剪切應力整體受到極大的抑制，甚至在黏性底層內雷諾剪切應力幾乎可以忽略。從這可以得出：表面活性劑對摩擦阻力有雙重作用，其一是引入了黏彈性剪切力，增加摩擦阻力；其二是抑制了湍流渦旋結構，減小了湍流剪切應力，從而減小摩擦阻力，兩者的博弈決定了表面活性劑溶液的減阻性能。

近年來，LI等[52]分別對黏彈性流體湍流流動的動量方程進行空間濾波和對構象張量傳遞方程進行時間濾波的方法，提出了一種新的基于擬序結構和時間近似去卷積的混合子網格模型（MCT SGS）。該模型在保證模擬結果與早期的DNS結果相同準確度的同時，還能減少數值模擬的時間，這為黏彈性流體的模擬研究提供了新的方法和思路。

圖15 剪切力分布

4　強化傳熱

表面活性劑具有優(yōu)良的減阻性能及其可逆的機械降解特性，有利于其在實際封閉式循環(huán)系統(tǒng)中的應用，尤其是集中供熱/供冷系統(tǒng)的應用。然而研究發(fā)現，表面活性劑溶液在減阻同時傳熱性能惡化，這一現象引起了國內外學者的廣泛關注，同時也對表面活性劑減阻時換熱性能下降進行了大量的研究[53-54]，發(fā)現主要原因是因為表面活性劑發(fā)生減阻時所形成的剪切誘導結構，使得流體內部尤其是近壁處的湍流渦結構受到極大地抑制，使得流動發(fā)生層流化轉變，黏性流動層厚度增加，對數律層上移，法相速度脈動受到極大地抑制。而近壁處流體的紊亂程度減弱則會使流體與壁面的對流換熱受到極大地抑制，從而導致表面活性劑溶液的傳熱性能惡化。這一特點極大地限制了表面活性劑減阻在換熱領域的應用。因此，如何在需要的時候提高表面活性劑的傳熱性能也成為了國內外研究者們關注的焦點。強化傳熱的方法很多，在早期主要是采用各種裝置通過剪切的方式來破壞表面活性劑的剪切誘導結構的方法降低其減阻能力，提高傳熱能力。然而通過剪切流場的方式雖然使表面活性劑減阻溶液的傳熱能力在一定程度上得到了提高，但與此同時帶來了巨大的壓力損失，這與引入表面活性劑降低阻力、節(jié)約功耗的目的相違背。關于早期強化傳熱方式的介紹在文獻[55]里有較為詳細的總結，這里就不再贅述，這里主要介紹近年來新的表面活性劑減阻溶液的強化傳熱手段。

WANG等[56]通過使用流變特性受光照影響的平衡離子與表面活性劑進行一定量的配比所得的減阻溶液來進行實驗研究。他們發(fā)現采用反式OMCA平衡離子與表面活性劑EO/12組合可以獲得50%～70%的減阻效果；同時當使用紫外光照射溶液30min左右，可以使溶液中的反式OMCA轉變?yōu)轫樖絆MCA，能極大地減少表面活性劑溶液的臨界雷諾數。當雷諾數大于20000后，相比于沒有采用紫外光照射前的溶液，經過紫外光照射后的溶液具有更高的換熱性能，其傳熱下降率由照射前的77%減少到了照射后的27%，極大地強化了傳熱效果。

這是一種通過外力手段紫外光照射改變表面活性劑溶液內部結構來實現強化傳熱，其所需的額外設備及能量的損耗非常大，不利于實際工業(yè)中的應用。除了這類通過外力手段實現表面活性劑強化傳熱的方式外，還有其他的被動式強化傳熱手段，比如通過剪切流破壞裝置的方式實現表面活性劑的強化傳熱，這類手段不需要額外太大太昂貴的輔助設備，只需要一些簡單的破壞裝置即可，適用于實際工業(yè)應用。但是剪切流的強化傳熱方式卻存在著一個極大的缺點，就是其自身會造成相當大的局部壓力損失，增加泵功消耗而不利于節(jié)能。

鑒于剪切流強化傳熱方式自身的巨大壓損問題，為了提高表面活性劑在換熱領域的應用價值，本課題組魏進家教授等[38]打破傳統(tǒng)思維模式，不用局部高速剪切流場產生高的剪切應力破壞膠束微結構，而是提出了一種新的強化傳熱方法，利用結構簡單、易于控制的拉伸流控制器產生漸縮漸擴的流線型流道，產生拉伸流場來破壞膠束結構，在壓力損失較小的情況下，有效地提高減阻界面活性劑溶液的傳熱能力。采用拉伸流的方式強化傳熱的原因主要是：相對于剪切流，拉伸流在很寬的分散相與連續(xù)相的黏度比范圍內，其毛細管數的臨界值均小于1，而且拉伸流場中的流體粒子僅僅被拉伸，不發(fā)生旋轉，不會因旋轉運動產生能量耗損，所以拉伸流動在較小的能耗下對粒子的破碎更有效，更有利于膠束結構的破壞，激發(fā)湍流，提高界面活性劑減阻溶液的傳熱。基于拉伸流場上述優(yōu)點，魏進家等自行設計了不同的拉伸破壞裝置對這種方法進行了初步的研究，發(fā)現不同的拉伸破壞裝置對表面活性劑減阻性能和傳熱性能具有不同的效果。拉伸破壞裝置較傳統(tǒng)的剪切破壞裝置來說，其具有能顯著提高表面活性劑換熱性能的同時造成較小的壓力損失的優(yōu)點。

圖16和圖17分別是文獻[38]中給出的通過阻塞裝置來產生拉伸流場破壞表面活性劑膠束結構的裝置示意圖以及其對Tin=?5℃下的表面活性劑ZA/NaNO2/EG/水溶液換熱性能的影響。從圖17可以看出，Re=10000時在阻塞裝置的作用下，表面活性劑的傳熱下降率從44%減少到了18%，說明阻塞裝置起到了26%的強化換熱效果，也證實了這種采用拉伸流的方式強化換熱的可行性，ROZANSKI教授也指出了魏進家等提出的拉伸流強化換熱裝置確實可大幅度提高表面活性劑溶液換熱能力[57]。拉伸流阻塞裝置與其他傳統(tǒng)的剪切流強化換熱裝置（如ZAKIN教授等[58]采用的兩種混合器型破壞裝置Mixer A和B，以及KAWAGUCHI教授等[59]采用的三重篩網型破壞裝置）的壓損對比見圖18。

從圖18中可以直觀地看出采用拉伸作用的阻塞裝置后，由阻塞破壞裝置造成的局部壓損非常小，遠小于其他強化換熱方式所造成的局部壓損，因此表明拉伸流阻塞破壞強化換熱裝置具有更小的壓損，能極大地減少由強化換熱裝置所導致的額外的能力損耗，相較于傳統(tǒng)剪切流強化換熱裝置在實際的表面活性劑換熱領域中更具優(yōu)勢。通過拉伸流的方式破壞表面活性劑膠束結構的新方法和新思路為表面活性劑的強化換熱研究提供了新的思路，大大提高了表面活性劑在換熱領域的應用價值。

圖16 阻塞破壞裝置

圖17 阻塞破壞裝置對于換熱的影響

圖18 阻塞破壞裝置與其他破壞裝置的局部壓降對比圖

5　表面活性劑與壁面微溝槽耦合減阻特性

在早期的研究中，大多都是單獨對表面活性劑進行研究，而將其與其它減阻方法共同作用的耦合減阻特性研究進行得比較少。鑒于不同減阻方法可能具有不同的減阻機理以及它們的減阻機理具有互補的可能性這一思路，近年來研究者們對不同減阻方法耦合的研究已經逐步開展起來，但大多數都是以高分子聚合物為基礎來進行耦合研究[60-61]，對于以表面活性劑為基礎的耦合研究相對較少。然而，表面活性劑具有可逆的機械降解特性，決定了在其在高剪切環(huán)境中較聚合物更具優(yōu)勢，因此將表面活性劑與其它減阻方法相結合進行研究具有十分重要的意義。當前關于表面活性劑與其它減阻方法的耦合研究，主要有表面活性劑與聚合物的耦合減阻研究[62]和表面活性劑在粗糙管路中的減阻及傳熱研究[63-65]等。

文獻[65]進行了不同濃度的表面活性劑在不同管徑、不同粗糙度的圓管內的減阻性能研究，發(fā)現隨著相對粗糙度的增加，減阻消失時的臨界雷諾數減小，但是，粗糙度對臨界剪切應力沒有影響。同時指出了表面活性劑在粗糙管中的相對減阻程度要大于光滑管的情況，這個結論是相對于水在同一粗糙度下的摩擦系數計算得到的。雖然表面活性劑在粗糙管中的相對減阻程度比光滑管要大，但是其在粗糙管中的摩擦系數卻比其在光滑管中要大，因此這種類型的粗糙管對表面活性劑的減阻效果沒有增強作用。這一現象在早期的研究中也可以發(fā)現[63-64]。

為了找到另一種合適的減阻手段與表面活性劑相結合，在表面活性劑減阻的基礎上進一步增強減阻效果，擴大表面活性劑在減阻領域的應用范圍，本課題組的黃崇海等[66]從現有的減阻手段的減阻機理出發(fā)，通過分析當前提出的減阻機理，初步洞察每種減阻手段的內在減阻本質因素及其對流體內部湍流結構等的影響，并結合表面活性劑的減阻機制及其在減阻發(fā)生時流體內部湍流結構的變化情況，發(fā)現了縱向微溝槽壁面減阻手段與表面活性劑兩者之間具有減阻機理互補的可能性，因此對這兩種減阻方式相結合進行了初步的實驗研究。

縱向微溝槽壁面減阻與表面活性劑減阻相結合，它們的減阻機理存在互補的可能性分析如下。

（1）經過對表面活性劑溶液減阻時的減阻和湍流特性的分析以及其減阻機理的眾多實驗研究[18,36,67]，發(fā)現表面活性劑溶液存在相當大范圍的最大減阻雷諾數區(qū)間，而在該減阻雷諾數區(qū)間內，流體中的小尺度湍流渦受到表面活性劑剪切誘導結構SIS的抑制作用而轉變成了大尺度的渦，也就是說，界面活性劑使得湍流流體發(fā)生了層流化轉變，抑制了流體中小渦的爆發(fā)頻率，使得流體中保留的主流渦為較大尺度的渦。而且，在該減阻雷諾數區(qū)間內，其最大減阻率基本保持不變，流體中保留的主流大尺度渦的尺度也在一個相對較寬的范圍內保持不變，這與牛頓流體有著很大的不同。對于牛頓流體，其流體中的渦會隨著雷諾數的逐漸增大而不斷減小，因此其流體中主流渦的尺度變化范圍十分的寬廣，這也就成為了限制某些通過抑制流體中渦的運動而實現減阻的方法的應用。

（2）縱向微溝槽壁面減阻是一類通過約束流體近壁湍流渦的運動而實現減阻作用的手段。研究界認為，沿流向排布的縱向微溝槽的減阻主要是由于溝槽尖峰能破壞流向渦，抑制流向渦和低速條帶的形成，約束湍流渦的橫向運動，從而減少近壁區(qū)域內流體間的動量傳遞和湍流強度，同時溝槽的存在還能阻止與其開口尺度相當以及比其開口尺度要大的近壁流向湍流渦侵入溝槽槽谷內部，減少了微溝槽上方高速流體與溝槽槽谷內部低速流體的動量交換，將包含有劇烈湍流運動和能量耗散的流體層向遠離壁面的方向推移，從而使槽谷黏性底層增厚，使槽谷內保持著較為“安靜”的低速流動的流體，從而使整體的表面摩擦力減小，達到減阻的效果。

（3）通過對縱向微溝槽的減阻機理的分析，將縱向微溝槽應用于表面活性劑減阻流體環(huán)境之中，通過表面活性劑減阻流體為縱向微溝槽減阻提供較牛頓流體更良好的減阻條件（即流體中主流渦的尺度相對較大且在表面活性劑減阻區(qū)間內的尺度變化范圍?。?，在表面活性劑減阻的同時發(fā)揮縱向微溝槽的減阻功能，不僅能提高整體的減阻效果，還能擴大縱向微溝槽和表面活性劑的減阻應用范圍。因此，將縱向微溝槽與表面活性劑相結合進行研究是十分必要且可行的。但是，值得指出的是縱向微溝槽壁面的減阻方式與其開口尺度或間距有關，因此只有合適尺度的微溝槽與表面活性劑相結合才能起到增強減阻的效果。

圖19給出的是本課題組經過對縱向微溝槽與表面活性劑減阻機理的初步分析后，采用銑床加工出來的間距s=0.7mm，高度h=0.4mm，尖角α=53°的縱向微溝槽橫截面示意圖，并將其與不同濃度的表面活性劑相結合進行了減阻性能的研究，結果如圖20所示。

圖19 縱向微溝槽橫截面示意圖

從圖20中可以看出，對于本實驗所用的溝槽在無表面活性劑的情況下，在實驗的整個雷諾數范圍均無減阻效果，而是出現增阻現象。這主要是因為微溝槽尺寸比較大，且加工的表面粗糙度也較大造成的。然而，通過對比表面活性劑溶液在光滑通道和溝槽通道下的減阻曲線可以看出，溝槽通道下表面活性劑的減阻效果增強了大約5%，其中增強減阻效果最顯著的是70μL/L濃度，然后按照100μL/L、150μL/L和50μL/L的順序依次遞減。這種表面活性劑在微溝槽通道下增強減阻效果的現象是一個令人鼓舞的現象，不僅驗證了之前對兩者減阻機理互補可能性分析的正確性，同時也為微溝槽與表面活性劑耦合減阻在更寬廣的領域的應用提供了思路。

圖20 光滑和溝槽通道下CTAC減阻性能對比

6　表面活性劑的應用

鑒于表面活性劑具有的可逆的機械降解特性以及其高達60%～80%的減阻特性，決定了其在實際的工業(yè)管路輸送中，特別是循環(huán)式輸送系統(tǒng)中較其他減阻方式具有更大的優(yōu)勢和應用潛力與價值。表面活性劑減阻在國外集中供熱/供冷系統(tǒng)中已經取得了一定程度的成功應用[68-70]。然而，這種將減阻劑湍流減阻技術應用于實際工業(yè)系統(tǒng)的研究在國內還處于起步階段，相關的研究還比較少。鑒于此，本課題組的魏進家教授、哈爾濱工業(yè)大學的李鳳臣教授和北京中國石油大學的宇波教授[2]首次將這種表面活性劑湍流減阻技術引入我國的集中供熱/供冷系統(tǒng)中，在青島的一個供暖系統(tǒng)中進行了表面活性劑在實際供熱系統(tǒng)中的減阻劑傳熱特性的研究，得到了最高為11.7%的增輸率，在同流量情況下能使泵功減少28.4%，取得了很好的成效，為減阻劑在國內集中供熱/供冷系統(tǒng)中的應用提供了參考價值。

同時，本課題組的馬寧等[4,34]還對較小尺寸管徑下的表面活性劑減阻性能進行了研究，并提出了可以利用Hoyt的尺度放大方法[71]，將小尺寸管徑下的減阻數據放大到與工業(yè)實際應用中的大尺寸管徑，從而獲得相應的大尺寸管徑下的表面活性劑減阻特性的新思路，并將這種通過尺度放大的方法得到的數據結果與KAWAGUCHI等[72]在大尺寸管徑下的實驗數據進行對比，兩者吻合較好。這表明了將Hoyt尺度放大方法應用于表面活性劑的尺度放大是可行的。同時，馬寧等還用Hoyt尺度放大方法將在小尺寸管徑下的減阻數據放大應用到上述青島的實際供熱系統(tǒng)的減阻性能預測，預測結果與實測結果一致。這一放大方法的使用為表面活性劑在實際工業(yè)領域的大尺寸管徑條件下的減阻性能提供了一種預測方法。

7　結 語

盡管對表面活性劑的流變、減阻、湍流結構、強化換熱及與其它減阻方法的耦合作用等進行了大量的研究，得到了大量的實驗及模擬數據和結論，但在其減阻機理、最優(yōu)的強化換熱方式及通過耦合方法進一步提高減阻能力以及工業(yè)應用等方面需要進一步的研究。針對表面活性劑現有研究的不足，對于未來的研究提出以下幾點建議：①環(huán)境友好的高效表面活性減阻劑的篩選和開發(fā)以及表面活性劑在使用完后的回收處理；②鑒于拉伸流場能顯著提高表面活性劑的換熱性能及其較小的壓損優(yōu)勢，對拉伸裝置進行優(yōu)化設計及在強化換熱部分的優(yōu)化布置，提高表面活性劑溶液的換熱能力；③通過合理地分析各種減阻手段現有的機理，將表面活性劑與其他減阻方式（如縱向微溝槽壁面減阻等）相結合，深入研究它們的耦合特性，以便進一步提高減阻性能和擴大二者的減阻應用范圍；④在尺度放大、防腐以及減阻持久性方面開展有關表面活性劑的實際工業(yè)應用研究，為表面活性劑從實驗室走向實際工程應用做出指導。

符 號 說 明

Cf—— 范寧摩擦系數

Cm—— 表面活性劑濃度

DR—— 減阻率，%

H′—— 旋轉容器內平均液體高度，mm

H—— 二維通道半寬，mm

h′—— 表面活性劑溶液自由面中心的下陷深度，mm

h—— 縱向微溝槽高度，mm

Lp—— 剛性膠采樣棒的長度，mm

N—— 剛性棒狀膠束個數

Nm—— 膠束聚集數

Nu—— 努塞特數

Per—— 佩克萊數，量綱為1

Re—— 以通道高度或管徑計算的雷諾數，量綱為1

s—— 縱向微溝槽間距，mm

T—— 溫度，℃

Tc—— 臨界溫度，℃

Tin—— 液體溫度，℃

U—— 流體平均速度，m/s

U+—— 平均速度，量綱為1

y+—— 壁面距離，量綱為1

α—— 縱向微溝槽尖峰夾角，（°）

ΔP—— 壓力損失，Pa

ηs—— 連續(xù)流體介質的黏度，Pa?s

ηE—— 拉伸黏度，Pa?s

θ—— 剛性膠束棒間的夾角，（°）

ρ—— 流體密度，kg/m3

σ—— 膠束球體直徑，mm

σxy—— 剪切應力，N

參 考 文 獻

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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

中圖分類號：TE08；TV131

文獻標志碼：A

文章編號：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。

基金項目：國家杰出青年科學基金項目（51225601）。