【摘要】 自從發(fā)現溶液中加入長鏈的聚合物具有湍流減阻效果以來，很多學者對湍流減阻效果進行了研究。目前對于粘彈性流體減阻效果的研究大多集中在具有壁面效應的湍流流動，例如槽道、管道以及邊界層流動，而壁面效應的存在給研究粘彈性流體減阻機理的造成了一定的困難。因此，對無壁面效應的各向同性湍流減阻研究具有重要的意義。首先，本文設計并搭建了振蕩網格實驗臺，從而獲得近似各向同性湍流。選取不同濃度的聚合物水溶液和表面活性劑水溶液進行振蕩網格實驗，使用粒子圖像測速技術（PIV）測量了網格湍流的速度場，建立粘彈性流體網格湍流的速度場數據庫，最終為粘彈性流體各向同性湍流的減阻效果分析奠定了基礎。其次，通過對比牛頓流體的與粘彈性流體的速度分布情況，計算并比較了湍流的脈動速度。結果發(fā)現粘彈性流體在各向同性湍流中同樣具有減阻效果，并隨著濃度增大減阻效果增強，同時發(fā)現表面活性劑水溶液的減阻效果優(yōu)于聚合物水溶液的；此外，還計算湍流速度場的各向同性度，驗證網格湍流流動是符合各向同性湍流性質的。最后，分析了粘彈性流體的物性差異是否對于減阻效果造成影響；研究結果表明粘度的大小對粘彈性流體減阻效果的影響不大，而具有更強彈性的粘彈性流體，其減阻效果會更好。通過本征正交分解法分析了湍流流動的相干結構，發(fā)現與牛頓流體流動的相比，粘彈性流體流動將使用更少的本征函數即可獲得流動的相干結構，表明粘彈性流體的湍流流動受到抑制，從這一角度再次表明粘彈性流體在各向同性湍流中具有減阻效果。 

第 1 章  緒  論

1.1 課題來源及研究的目的和意義

1.1.1 課題研究背景

1948 年，Toms 發(fā)現在液體流動中加入高分子聚合物可以使流體流動的阻力大大的減小，這一發(fā)現被稱為 Toms 效應。在管道運輸中，流體流動時的湍流流動會導致大量的能量損耗，而減阻添加劑的加入則大大減少了這一部分能耗，這樣使遠程管道流體運輸的耗能大大地降低，減阻率可達到 70%-80%，通過添加劑的加入減少的能耗要遠遠優(yōu)于改變管路等傳統方法所減少的能耗。因此，學者們對添加劑湍流減阻開展了大量的研究工作。

目前，管道或槽道湍流減阻的實驗以及數值模擬研究結果已經驗證了減阻添加劑的減阻效果。粘彈性流體槽道湍流減阻實驗的結果表明：減阻添加劑的加入使湍流的流向速度增加，而垂直于流向的脈動速度卻減小，從而減少了湍流流動在非流向的能量浪費，最終達到了減阻的效果。

目前的實驗研究大多是針對于管道內的流動減阻，這種流動形式滿足實際管道運輸的湍流流動形式。但這種流動方式就會不可避免地受到壁面的影響，而壁面的存在對于研究減阻添加劑的減阻機理產生極大的影響。至今為止也沒有一個較合理的粘彈性流體湍流減阻機理。因此需要對一些更為簡單、基礎的湍流流動進行湍流減阻研究，以期獲得更準確的湍流減阻機理。

各向同性湍流是湍流流動中最簡單的一種，它是一種理想狀態(tài)下的湍流流動，并且也是最適宜進行理論分析研究的湍流。各向同性湍流在各個方向上的各種統計平均值都是相同的，且當坐標軸發(fā)生變化時統計平均值仍然不發(fā)生變化。分析各向同性湍流中粘彈性流體的減阻效果，可以更直接地研究粘彈性流體的減阻機理，并且可以建立粘彈性流體減阻流動的湍流標度律。

1.2 國內外在該方向的研究現狀及分析

1.2.1  粘彈性流體減阻研究

滿足牛頓內摩擦定律的流體被稱為牛頓流體，常見的流體例如水、油都屬于牛頓流體；而不滿足牛頓內摩擦定律的則被稱為非牛頓流體，粘彈性流體就是典型的非牛頓流體。聚合物溶液以及表面活性劑溶液就是典型的粘彈性流體溶液，本實驗選用了聚丙烯酰胺（PAM）和十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）這兩種減阻添加劑，其中 PAM 水溶液是一種典型的高分子聚合物水溶液，CTAC溶液是一種表面活性劑水溶液，當在 CTAC 水溶液中加入水楊酸鈉（NaSal）后，表面活性劑溶液會顯現出明顯的粘彈性，配置溶液時選用 CTAC 和 NaSal 的配比比例為 1:1。

不同于牛頓流體，粘彈性流體具有很多獨特性。首先，粘彈性流體具有明顯的粘性和彈性，并且粘彈性流體隨著剪切速率的增加，，其粘度也在不斷地變小，此現象被稱為剪切稀變效應。這也是粘彈性流體不滿足牛頓內摩擦定律的表現。在粘彈性流體中放入一個玻璃棒，旋轉玻璃棒后會發(fā)現粘彈性流體會隨著玻璃棒向上爬，此現象被稱為維森貝格效應（爬桿效應）；轉動一段時間的玻璃棒之后拿出玻璃棒，之后會發(fā)現粘彈性流體會沿著之前玻璃棒旋轉的反方向旋轉，此現象被稱為反轉效應。當粘彈性流體從一個較小的管口流出時，其流動的射流直徑要大于管口的直徑，此現象為擠出脹大效應，也稱為 Barus 效應。粘彈性流體在受到外部應力作用時，其分子結構發(fā)生改變，其粘度也會變小，當外部應力消失后，其分子結構以及粘度會恢復到原來的數值，此現象被稱為松弛效應，而粘彈性流體恢復形變所需要的時間則被稱為松弛時間。實驗時配置的粘彈性流體應該具有粘彈性的性質，但是對于極低濃度（質量分數小于1×10-4）的粘彈性流體在溶液性質上變現不出明顯的粘彈性效應，其流體物性更接近于牛頓流體的物理性質。

第 2 章  實驗過程及誤差分析

2.1  引言

本章主要介紹振蕩網格湍流實驗臺、粒子圖像測速（PIV）系統及其使用方法，并對實驗臺的缺陷以及實驗過程中出現的問題等造成實驗誤差的因素進行分析。

2.2  實驗系統介紹

本課題主要是研究振蕩網格湍流實驗。為了達到實驗所需目的，設計了符合實驗要求的實驗臺。實驗前查閱網格湍流實驗的相關文獻資料，發(fā)現想要得到近似各向同性湍流區(qū)域，網格的尺寸、水箱的尺寸及網格之間的間距必須滿足一定的條件。本文通過合理地設計實驗臺參數，最終建立了振蕩網格湍流實驗裝置。

由于實驗臺的水箱容積很大（大約 75L），實驗所需的粘彈性流體的質量也很大，并且 PIV 實驗需要向拍攝溶液中加入示蹤粒子，因此粘彈性流體的配置方法與示蹤粒子的加入時機均需要做出合理的選擇。

2.2.1  實驗裝置介紹

在設計搭建振蕩網格湍流實驗臺時，實驗裝置的每一個參數都需要合理選擇。網格湍流實驗臺的核心實驗裝置就是網格，因此首先設計了網格的尺寸。網格板內的單個網格尺寸 M 選擇為 20mm，金屬桿的寬度選擇為 4mm，此時金屬桿的面積占總網格面積的 20%，滿足形成各向同性湍流網格湍流的要求。為了保證網格湍流中心位置的湍流區(qū)域具有更好的各向同性度，且實驗設計的單個網格尺寸較�。�20mm），因此總網格共選用了 10×10 個網格孔，這樣可以測量出較好的實驗結果。

實驗共需要上、下兩個網格，由于上、下網格均需要與實驗臺上部的支架相連，為了合理設置傳動桿的位置，上、下網格設置連接螺紋孔的位置是不同的，因此兩個網格的形狀也是不完全相同的，圖 2-1 給出了上網格的具體尺寸。

第 3 章  網格湍流實驗數據分析........... 21

3.1  引言.............. 21

3.2  實驗所得速度場.............. 21

3.3  各向同性度檢測................. 25

第 4 章  溶液粘彈性及速度場本征正交分解分析.......... 34

4.1  引言................34

4.2  溶液粘彈性測量及分析.......... 34

4.2.1  測量儀器介紹................34

第 4 章  溶液粘彈性及速度場本征正交分解分析

4.1  引言

粘彈性流體既表現有彈性，又表現有粘性，且區(qū)別于牛頓流體，粘彈性流體是不符合牛頓內摩擦定律的，同時也具有許多不同于牛頓流體的性質。例如粘彈性流體的粘度是隨著剪切頻率的變大逐漸變小的，該現象被稱為剪切稀變效應，除此之外還有維森貝格效應以及反轉現象等粘彈性流體特有的效應�？紤]到粘彈性流體在物性上與牛頓流體有諸多不同，本章測量了粘彈性流體的部分物性，并將其與牛頓流體的物性相比較，結合粘彈性流體的減阻效果分析物性是否對于粘彈性流體減阻產生影響。

研究湍流流動中的相干結構，對于分析湍流流動狀態(tài)、能量分布有著極大幫助，使用本征正交分解法，可以用本征函數來表示湍流中的相干結構，以便于解析湍流速度場。本章將實驗所得的湍流速度場進行本征正交分解處理，分析其相干結構驗證粘彈性流體的減阻效果。

結論

本文主要通過振蕩網格湍流實驗，獲得了近似各向同性湍流，并測量了牛頓流體以及粘彈性流體的網格湍流速度場，對于速度場的數據進行統計分析，并且對于不同濃度的粘彈性流體的粘性與彈性參數進行了測量，比較分析了粘彈性流體物性與減阻效果的影響關系，主要得出以下結論：

（1）實驗臺設計時各個尺寸經過了仔細的選擇，通過合理的傳動方式搭建了網格湍流實驗臺，對于實驗測得的湍流速度場的各向同性度進行了統計計算，發(fā)現該實驗臺所得到的湍流速度場符合各向同性湍流的性質。

（2）實驗時測量的速度場數據可能會存在一些誤差，這也是由于實驗臺設計時對于整個裝置的穩(wěn)定性以及對于非網格運動方向的固定等方面考慮的不夠周全，同時實驗裝置較大以及選擇的粘彈性流體的特殊物理性質（振動產生氣泡）也會影響實驗數據的準確性。在之后的工作中會在之前設計的實驗臺的基礎上進行修改，使之后的實驗數據達到更好的效果。

（3）通過比較粘彈性流體的與牛頓流體的湍流速度場，發(fā)現粘彈性流體的湍流速度場更加規(guī)則，脈動速度的變化范圍也更小，驗證了粘彈性流體在各向同性湍流中同樣具有減阻效果。

（4）比較粘彈性流體的與牛頓流體的湍流脈動速度強度，發(fā)現粘彈性流體的湍流脈動速度要小于牛頓流體的。對于同一種粘彈性流體，隨著粘彈性流體溶液濃度的增加，其脈動速度強度變小，說明減阻效果變好；并且發(fā)現 PAM 水溶液在 200ppm 濃度以上得到了明顯的減阻效果，而 CTAC/NaSal 水溶液在50ppm 濃度時已經具有了明顯的減阻效果；可見，同濃度下 CTAC/NaSal 水溶液的湍流脈動速度強度更小，減阻效果更好。

（5）測量了粘彈性流體的粘度和松弛時間，隨著溶液濃度的增加粘彈性流體的粘性和彈性都變得更好。經過測量低濃度下粘彈性流體溶液的粘彈性與水相差不大，而低粘度的粘彈性流體已經具備了減阻的效果，這證明了粘彈性流體物性與牛頓流體的差異并不是粘彈性流體具有減阻效應的原因。通過對于兩種粘彈性流體的粘性進行比較，發(fā)現粘度的大小對于粘彈性流體的減阻效果并沒有直接的影響，粘彈性流體的彈性越好，其減阻效果更好。比較兩種粘彈性流體也發(fā)現粘彈性流體的種類對于粘彈性流體的減阻效果有著決定性的影響，濃度的變化同樣會改變粘彈性流體的減阻效果。

（6）通過本征正交分解法對于湍流速度場的相干結構進行分析，發(fā)現粘彈性流體流動中得到相干結構所需要的本征函數更少，能量分布更加均勻；粘彈性流體流動中的小尺度相干結構受到了抑制，相比牛頓流體的速度分布而言，顯得更為規(guī)則，這也說明了粘彈性流體在各向同性湍流中具有減阻效果。

之后的工作中將會對原實驗臺進行改進，爭取得到各向同性度更好的網格湍流，并且對于網格湍流實驗速度場的數據進行進一步分析，深入研究各向同性湍流中粘彈性流體的減阻機理，并建立粘彈性流體湍流減阻流動的標度律。、

參考文獻（略）