高分子聚合物的湍流减阻机理

柳岳雄

摘要：高分子聚合物，基于链重复连接而成，其高分子量的数量级别可以达到10～106，人们利用高分子聚合物的历史非常久远，目前在石油开采输送，抽水灌溉，循环水利用等各个方面，都广泛的使用了湍流不息减阻效应。文章希望能够对于链状的高分子聚合物进行模型的简化输出，在了解了根据模拟结果研究高分子聚合物减阻机理之后，可以得出减少流体的湍流脉动损失方法。

关键词：高分子;聚合物;湍流减阻;机理

引言：

聚合物在发生正向扭矩作用时，发卡型漩涡的拱形头步以及漩涡的腿部是抑制湍流漩涡进发速率和强度的位置。而与此同时，聚合物如果发生了反向扭矩作用，发卡漩涡的卷曲方向有助于减少漩涡的玩去率和倾斜角度。在我国石油、天然气事业快速发展的过程中，石油行业和化工工业要求以管道输送石油、天然气等。在输送时，管道的输出压力和阻力成为国内外学者重点研究的内容，在湍流流动的物体中，加入聚合物来产生减阻作用是比较常见的方法。

一、高分子聚合物湍流减阻的实验意义

高分子聚合物向湍流流体中进行输送，从而能够减少管道中的阻力，在湍流流动的管道中，其阻力的减少作用可以在实验装置中进行实验探究，很多学者针对这一问题的机理展开了理论和实验的双重研究。目前，由于高分子聚合物的这一应用，在工业、军事和其他民用领域中都得到了比较广泛的应用，因此研究者希望能够通过实验，找出高分子聚合物在减少阻力过程中的应用机理。通过实验可以清晰的发现，具有减少阻力效果的一般是水溶性聚合物，这些聚合物常常有丙烯酰胺、聚丙乙烯等等，油溶性高分子聚合物则包括聚不饱和酸酯等。在高分子聚合物的减少阻力实验中可以发现，只要将湍流流動介质中的链状高分子聚合物加入到液体之中，其液体介质的摩擦阻力就往往会急剧下降。通过对于石油管道的输送实验可以表明， 高分子聚合物对于减少摩擦阻力的应用效果最高可以达到65%～70%的改善率。对于高分子聚合物湍流减阻实验应用可以很好的为工业及民用事业发展应用的经济效益起到良好的推动作用。

二、高分子聚合物湍流减阻实验的模型

（一）聚合物的模型结构

高分子聚合物一般是自由结合的，人们通过实验和各项观察发现，高分子聚合物的自由结合体，往往呈现出珠-棒链状模型结构，高分子聚合物的简化模型，呈现出典型的首尾间张力矢量特征。高分子聚合物的通用结构，呈现出棒杆的中心点到珠子结构的链中心位置呈现出一定的指数，而随着张力值的变化，高分子聚合物的不同结构旋转范围和旋转角度，可以通过一定的概率密度公式表示。高分子聚合物珠与珠之间的张力平衡，一般呈现出弹性力、水力阻力和布朗力之间的平衡关系。研究者一般在高分子聚合物模型的模拟实验中，假设其聚合物模型珠和珠之间的弹性力是符合胡克弹性定律的，因此，对于其张力量的变化可以以不同的方程式计算导出。高分子聚合物的控制方程往往表现出相对比较复杂的连续性方程特点，由于高分子聚合物在加入到湍流流体之后，在很大程度上限制了流体介质的变化，由于在受限制的空间内流动，因此，其阻力发生了变化。控制高分子聚合物珠子之间的速度，同时为分子链的初始张力给予补充。

以上的原理和过程，根据有效的方程式控制过程模型，总结方程式计算方法如下：

基于实验模型的高分子聚合物湍流漩涡作用力

使用历次实验数据能够推断得出结论，在采用三维直接方式进行数字模拟，研究高分子聚合物在湍流漩涡结构中的具体的作用力，针对新模型的流向和空间边界条件实验，发现了基于二维Blasius的T-S扰动波，其特征向量是完全可以利用压缩线性扰动方程来求出结论的。高分子聚合物附近如果有平板壁面的流向漩涡，那么在漩涡的诱导之下，很有可能产生低速的流量。高分子聚合物之所以发展为发卡状的漩涡，主要是因为其漩涡的流向。聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条件，以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是：其额定分子量数量级都是高达百万的。学者们对于它的减阻机理进行了大量的研究。

由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量（通常可达10～106）化合物。例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元—CH2CHCl—重复连接而成，因此—CH2CHCl—又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。基于实验模型的高分子聚合物湍流流向速度及实验测试，可以探讨得知高分子聚合物在完成减少阻力作用时，尽可能的阻止了湍流流体的迸发，在这种情况之下，如果液体的流向漩涡呈现出非对称的情况和节奏，高分子聚合物在遭遇了聚合物扭矩作用的过程中较大方向的正面延展聚合物，其扭矩作用了向下方向的漩涡。大部分的湍流流体结构中，高分子聚合物的正向延展性扭矩抑制了发卡型漩涡的形成，实现了减少阻力的作用，人们目前对于流动液体的遏制规律进行反复的试验研究，希望能够更加优化的设置高分子聚合物的物理及化学结构。

结论：

文章分析了高分子聚合物在湍流流体运行中所起到的减少阻力作用，总结其减少阻力的运行机理可以发现，在不同的情况之下高分子聚合物的减阻。高分子聚合物将会产生反向的扭矩，原理是有所不同的：在与流动的流体共同作用的过程中，为了抑制发卡状漩涡的形成，可以控制其速度，减少漩涡的数量。而如果是高分子聚合物的反向扭矩作用，已经出现在旋转式的发卡型川流流体，漩涡之中，那么，为了使其流速变得更为缓慢，就应该充分的利用高分子聚合物的发卡式漩涡连贯张力和应力。

参考文献

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