表面活性剂减阻流体湍流输运机理与多尺度粘弹性模型研究

在流体内添加少量的表面活性剂能导致湍流的摩擦阻力显著降低，该现象具有巨大的节能价值，但是减阻机理目前还未能完全揭示。本项目拟通过实验与数值计算相结合的方法从流变性能、湍流输运、数学模型三个方面进行研究，以实现深入揭示减阻机理与控制减阻过程。研究内容包括测量流变性能，分析"剪切稀化"、"剪切稠化"等复杂过程，并结合激光散射技术测量胶束拟序结构的形成，分析胶束同湍流微观结构的作用规律，在此基础上一方面分析壁面剪切湍流在"零雷诺剪切应力"下的湍流输运机理，另一方面在分析传统模型的集成上建立符合上述规律的多尺度各向异性粘弹性模型。通过对实验与数值计算结果的对比分析，检验并修正数学模型，从而在理论上更深入地解释减阻机理，以及粘弹性模型描述减阻过程的特点与适用性。

减阻流体能减少湍流摩擦阻力，具有巨大节能价值，但减阻机理还未被完全揭示。通过实验与数值分析相结合的方法从流变性能、湍流输运、数学模型三个方面对表面活性剂（CTAC）减阻流体开展了研究。利用流变仪对流变性能进行了测量，分析了不同温度和浓度下表观粘度随剪切速率的变化规律，其分布特征与Giesekus模型模拟结果存在较大差异，为此建立了并联的Giesekus粘弹性模型和非恒定松弛因子的Giesekus粘弹性模型。利用粒子图像测速仪（PIV）对减阻流体槽道流的流场进行测量，获得了不同雷诺数和减阻剂浓度下的减阻性能、速度脉动分布以及零雷诺剪切应力现象，利用速度脉动象限分析方法获得粘弹性对速度脉动的作用规律。采用Giesekus粘弹性模型开展减阻流体直接数值模拟（DNS）研究，对比分析数值与实验结果的差异，指出恒定松弛因子是造成该差异的主要因素，建立的非恒定松弛因子模型的数值计算结果更接近实验特征。研究成果加深了对减阻机理的认识，为控制与应用减阻流体提供了理论支持。