黄原胶水溶液管道流动转捩及不同NaCl质量分数下减阻特性的实验研究

2021-09-15徐晟轩赵文斌李明义林玉莹李昌烽

实验流体力学 2021年4期

徐晟轩，赵文斌，李明义，林玉莹，李昌烽

江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013

0 引言

黄原胶，又名黄胶、汉生胶，其相对分子量较大（在2×106～5×107之间），主链的葡萄糖通过β-1,4键连接；侧链由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸交替组成，靠近主链的D-葡萄糖存在不同程度的乙酰化，尾部的D-葡萄糖醛酸末端会不同程度地被丙酮酸基团取代[1]。黄原胶属于聚电解质，溶于水后侧链往往带有强阴离子电荷，高分子聚合物受到的电荷之间的排斥力强于其他分子对它的亲和力，因此分子在溶剂中处于一种相对僵硬、平衡拉伸的状态，表现出破碎或不完美螺旋的无序分子构象[2]，是一种优异的减阻剂。

1948年，Toms[3]在第一届国际流变学会议上首次提出高聚物减阻现象，其后研究者发现聚合物溶液转捩时往往会出现延迟现象。目前，国内外相关研究仍然较少，且大都聚焦于长链型聚合物。在早期研究中，Giles等[4]通过流型判定发现，在直径0.058 inch的毛细管内，聚氧化乙烯溶液转捩雷诺数至少升高了2倍，但该研究并未考虑聚合物加入导致的溶液黏性增加。Draad等[5]在直径40 mm的圆管内对20×10–6（质量分数，下同）的聚丙烯酰胺溶液的转捩行为进行了实验研究，发现溶液转捩的下临界雷诺数升高；同时，在未添加额外扰动的情况下，溶液完全转捩为湍流的上临界雷诺数由清水的60 000降低至6000。Samanta等[6]通过实验发现管内聚丙烯酰胺溶液转捩的下临界雷诺数随质量分数的增加而升高，同时上临界雷诺数迅速降低，其增幅或降幅取决于壁面剪切速率，并采用数值模拟进行了验证。Choueiri等[7]发现聚丙烯酰胺和聚环氧乙烯溶液在转捩区附近超过了最大减阻极限，同时流动伴随着“再层流化”，转捩雷诺数呈先上升后降低的趋势。

在针对黄原胶这类刚性聚电解质的相关研究中，张根广等[8]对0～2000×10–6范围内的5组黄原胶溶液的管内转捩行为进行了研究，通过阻力系数-广义雷诺数（f-ReM）曲线判断其转捩雷诺数随质量分数的增加而呈线性上升；龚迪光等[9]在径向井水力压裂摩阻实验中发现，瓜胶压裂液产生了转捩延迟效应。上述两项研究均未对上、下临界雷诺数进行严格区分。因此，对黄原胶这类刚性聚电解质溶液的管内转捩，特别是上下临界雷诺数的研究目前尚不完善。

在黄原胶作为减阻剂的实际使用中（如原油开采、城市排涝泄洪），盐分总是不可避免地存在，其能改变黄原胶的分子构象，造成减阻效果的差异。在近年黄原胶盐溶液减阻的相关研究中，Hong等[10]利用转盘装置测量了（10～200）×10–6的黄原胶溶液在不同KCl质量分数下的减阻率及随时间的变化。结果表明：50×10–6的黄原胶溶液受盐的影响最大，随着KCl的加入，减阻率可从32%降至13%；Brostow模型方程能很好地拟合减阻率与时间的关系。在不同比例的自来水/去离子水溶剂中，Karami等[11]利用转盘装置测量了聚丙烯酰胺、黄原胶和聚乙烯氧化物3种减阻剂的减阻率随时间的变化。研究发现：在所有比例的溶剂中，黄原胶溶液的减阻率均不受剪切时间的影响；而另外两种减阻剂随时间机械降解明显。Jang等[12]比较了黄原胶和聚丙烯酰胺作为聚合物驱油剂在不同盐度下的应用潜力。Habibpour等[13]以转盘装置研究了KCl对聚丙烯酰胺/黄原胶二元混合溶液的影响。目前，针对黄原胶盐溶液管道流动减阻特性的研究相对较少，本课题组[14]前期对300×10–6～500×10–6的黄原胶水溶液和添加了等量NaCl的盐溶液管内减阻及抗剪切特性进行了对比实验，但盐含量并不固定，也未考虑盐的质量分数效应。

本文通过实验在水平光滑圆管中研究黄原胶水溶液的流动转捩特性以及不同NaCl质量分数对黄原胶溶液减阻和抗剪切特性的影响。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

在本课题组现有装置[15]上进行实验（如图1所示）。其中，AE段的水平光滑圆管（管径为14和20 mm）为有机玻璃材质，以确保湍流处于水力光滑区。AB段为发展段，长2.8 m。根据White[16]提出的经验公式，2.8 m长度能够满足实验管道克服湍流流动入口效应的要求。BC段为压差测量段（即观察段），长2.0 m。在管道入口A处的中心线位置，安装一根细小的黄铜喷嘴以注入染色水，便于在观察段对流型进行观察。

图1 减阻特性实验装置原理图Fig.1 Schematic of drag reduction characteristic experimental setup

采用差压变送器测量BC段两端的压差（差压变送器型号TOP301S，量程0～10 kPa，精度可达0.25%FS）。以变频器调节离心泵转速，同时配合布置于管道上的各个阀门控制管道流速。采用体积法、电磁流量计两种方式测量流量，相对误差小于0.1%。流量计为安徽蓝德正华电子有限公司的LD一体（分体）式电磁流量计。

1.2 溶液配制

实验所用黄原胶为淄博中轩生物有限公司的商业食品级产品。溶液配制过程为：配制10 000×10–6的黄原胶母液，静置24 h以确保黄原胶充分均匀溶解于水。配制黄原胶水溶液时，将黄原胶母液加入储液箱，以自来水稀释并充分搅拌，静置20 h以确保实验时母液与水混合均匀。

极浓的黄原胶母液呈电中性，构象本质上与静电相互作用无关，仅依赖于非带电聚合物与溶剂之间的热力学相互作用，盐很难与黄原胶分子结合，盐的加入还会使母液黏度升高[17]。因此，配制黄原胶盐溶液时，以自来水稀释储液箱中的黄原胶母液，静置8 h后，加入所需量的NaCl，随后再次静置12 h，确保盐与黄原胶分子充分融合。

1.3 实验条件和方法

采用雷诺实验对黄原胶水溶液的转捩雷诺数进行测量。主要控制参数为：质量分数范围0～400×10–6（每次实验递增50×10–6）；管径14 mm；温度20 ℃。每组实验重复3～4次，下临界雷诺数取各次测量值的均值，上临界雷诺数波动较大，取最大值和最小值的均值并给出数值范围。

对每种质量分数的溶液操作如下：1）使流动处于稳定层流，向上缓慢调节流量阀，直至管中呈细线的染色水完全散开，此时流动处于上临界状态；2）使流动处于完全湍流，向下缓慢调节流量阀，直至染色水形成一条稳定平直的细流，此时流动处于下临界状态。

减阻实验的主要控制参数有：黄原胶溶液质量分数为100×10–6、200×10–6和300×10–6；NaCl的质量分数为0、250×10–6、500×10–6和1 000×10–6；管道直径20 mm；流速采用流动雷诺数Re表征；实验温度10 ℃。

在减阻实验中，对每一种质量分数的黄原胶溶液，在不同NaCl质量分数条件下进行流量调节，通过测得测量段两端的压降水头，进而得到溶液流动时的沿程阻力系数。

1.4 数据处理方法

减阻实验流速以流动雷诺数Re表征，便于直观比较同一流量的减阻效果：

式中：U为管道截面的平均流速，m/s；D为管径，m；ν为溶剂的运动黏度，m2/s。

适用于非牛顿流体的广义雷诺数[18]由式（2）计算得到：

式中：K为稠度系数，N·sn/m2；n为流动指数，无量纲。我们先前工作已给出了20 ℃时黄原胶溶液的流变参数数据[18]（见表1）。

表1 20 ℃时不同质量分数（ω）黄原胶溶液流变参数[18]Table 1 Rheological parameters for different mass fractions of XG solution（20 ℃）

圆管中流体流动的沿程阻力系数λ为：

式中：Δh为压差测量段（BC段）的水头差，m；l为BC段管长，m；Q为体积流量，m3/s；g为重力加速度，m/s2。

减阻率DR为：

式中：λ和λw分别为同一雷诺数下黄原胶溶液和纯水圆管内流动的沿程阻力系数。

2 实验结果

2.1 黄原胶水溶液的转捩特性

若不考虑加入黄原胶对溶剂黏度的流变影响，仍采用溶剂黏度来计算流动雷诺数，则所观测计算的层流-湍流转捩上临界流动雷诺数和湍流-层流转捩下临界流动雷诺数Recr随质量分数变化的实验结果如图2所示。从图中可以看到，上、下临界雷诺数和Recr均随黄原胶质量分数的增加而迅速上升。这与前人[4]的结果相似，基于溶剂黏度的转捩临界雷诺数会随着黄原胶质量分数的增加而升高，甚至升高2倍以上。看到转捩上、下临界广义雷诺数和ReMcr表现出了不同的变化趋势。

图2 黄原胶水溶液转捩雷诺数随质量分数ω的变化Fig.2 Transition Reynolds numbers for different XG solutions, wheredenotes the upper limit and Recr denotes the lower limit

近年来，采用广义雷诺数ReM的相关文献也较多。考虑到聚合物溶液的流变特性及管径的影响，采用广义雷诺数ReM或许更为合理（参见式（2））。将实验数据整理为广义雷诺数形式绘于图3中，可以

图3 黄原胶溶液转捩雷诺数随质量分数的变化（以广义雷诺数表征流速）Fig.3 Transition Reynolds number of XG solution (flow velocity characterized by generalized Reynolds number)

从图3中的实验值（红色圆点）及拟合曲线可以看出，在溶液中添加黄原胶后，流动从层流转捩为湍流的上临界广义雷诺数平均数值迅速下降，大致在质量分数150×10–6之后趋于一个定值（= 3 000），且数值范围也随黄原胶质量分数的增加而大幅收窄，其原因在于黄原胶的加入促进了湍流的产生，同时流动结构与黄原胶高分子发生某些相互作用，流型受到了黄原胶高聚物属性的“控制”。

黄原胶水溶液流动从湍流转捩为层流的下临界广义雷诺数ReMcr随质量分数的变化如图3中的黑色方块点所示。可以看到，下临界雷诺数随着质量分数ω的增加而升高，且近似呈线性关系（在实验范围可拟合为ReMcr=2100+1.29×ω）。其原因在于黄原胶的加入可以抑制转捩区业已出现的湍流斑和湍流段塞，且这种抑制能力随质量分数的增加而增大，从而使得下临界雷诺数ReMcr更高，在更高的雷诺数下，转捩出现“再层流化”现象[7,19]。界雷诺数ReMcr和上临界雷诺数更为接近。

在湍流-层流转捩实验中，与纯水或质量分数较低的黄原胶水溶液相比，质量分数较高的黄原胶水溶液流动在转捩过程中出现的流线周期性脉动现象也越来越弱。其原因在于：黄原胶分子的加入模糊了流体在转捩区的流动特征，使转捩区越来越窄，下临

因此，黄原胶的加入使流体的流动不同于牛顿流体。一方面，随着剪切速率的增加，弹惯性湍流取代牛顿湍流占据了主导地位，并抑制了牛顿湍流，使流动转捩发生延迟；另一方面，在不添加人工扰动或自身扰动较小的情况下，流体自身的弹惯性不稳定性又促进了弹惯性湍流的产生[6]。弹性的增加对入口段发展边界层产生了不稳定性的影响[5]。

2.2 盐的质量分数对黄原胶溶液减阻特性的影响

在盐的4种质量分数条件下，黄原胶盐/水溶液减阻率随Re的变化如图4所示。在高雷诺数流动中，随着盐的质量分数增加，黄原胶溶液的饱和减阻率降低，即在较高速管流中，盐会降低黄原胶溶液的减阻效果；但在低雷诺数流动中则表现出不同的趋势。对于质量分数为100×10–6的黄原胶盐/水溶液（见图4（a）），当Re<10 000时，盐溶液的减阻率更高；随着Re升高，盐溶液减阻率上升较缓；当Re>20 000时，其减阻率才低于黄原胶水溶液。当盐的质量分数为1 000×10–6时，溶液减阻率随Re的变化很小，表现出与Re很低的相关性。

质量分数200×10–6和300×10–6（见图4（b）和（c））的黄原胶盐/水溶液的变化趋势大致相同，盐溶液减阻率分别在Re约为20 000、25 000后才低于水溶液。

在图4中，饱和减阻率随盐的质量分数增加而降低，这种现象可以从3个方面进行解释：

图4 不同质量分数的黄原胶溶液在4种NaCl质量分数条件下的减阻率随Re的变化Fig.4 The drag reduction efficiency vs.Re of XG solution in four different mass fractions of salt

1）大分子和流动之间的耦合程度。钠离子可以与分子侧链相结合，它们沿着聚电解质分子链屏蔽强阴离子电荷，使聚合物呈现出更为紧凑的结构，这就减小了水动力体积甚至使亚浓溶液衰退为稀溶液[2]，分子和流动耦合程度削弱，降低了溶液减阻效果。

2）分子构象的转变。随着盐的加入，整个分子构象发生无序到有序的转变；而相对于无序的分子构象，包含有序分子构象的聚合物溶液在流动中所受的流动阻力更大[20]。

3）溶液的黏弹性。盐加入后，溶液的松弛时间变得更低，溶液弹性有所下降，使溶液性质更接近于低质量分数的状态。李昌烽等[21]的实验表明：大管径下，高质量分数的溶液在低雷诺数下的减阻率反而更低，只有达到一定雷诺数后才能表现出更高的减阻率。

在较低流速时，盐的加入使溶液减阻率升高，可能是盐溶液中黄原胶分子长度更短、分子间作用力更小，在低流速下分子更易形成有序的排列，表现出更好的减阻效果。但随着流速增大，无盐溶液中的分子在强壁面剪应力作用下也逐渐有序排列，基于水动力体积的分子与流动之间的相互耦合程度更大，因此盐溶液的减阻优势随着流速的增大很快消失。

2.3 黄原胶溶液的抗剪切性

为探究黄原胶溶液的抗剪切性，本文对黄原胶溶液进行了为期3 d、每天12 h的循环剪切（实验温度10 ℃、管径20 mm），每小时记录一次实验数据，结果如图5所示（Re=30 000）。

图5 不同质量分数黄原胶水溶液的抗剪切性（Re =30 000）Fig.5 Shearing resistance of XG aqueous solution (Re =30 000)

图5（a）为溶液减阻率随时间的变化。对于黄原胶水溶液，随着循环剪切的进行，减阻率都会下降。停止剪切后，质量分数较高的溶液（400×10–6和500×10–6）的减阻率会略有回升，但在次日循环剪切重新开始后迅速下降。这意味着黄原胶分子的机械降解并非完全不可逆，其原因可能是高质量分数溶液中分子链间距较小，彼此较易通过非极性共价键重新形成缠结。图5（b）为剪切过程中减阻率与起始减阻率的比值随时间的变化，数值越高表明减阻率降幅越低。不难看出，随着质量分数的增加，对应曲线也自下而上有序排列，呈现出显著的质量分数效应。

本文探究盐的质量分数对黄原胶溶液抗剪切性的影响，在Re=30 000条件下，选择质量分数100×10–6、200×10–6和300×10–6的黄原胶溶液，在不同NaCl质量分数（0、500×10–6和1000×10–6）条件下进行抗剪切实验，结果如图6所示。图中，实心、半实心、空心数据点分别对应NaCl质量分数0、500×10–6和1000×10–6；红色圆形、黑色正方形、蓝色菱形分别对应黄原胶质量分数100×10–6、200×10–6和300×10–6。

图6 不同质量分数的黄原胶溶液在不同NaCl质量分数下的抗剪切性（Re =30 000）Fig.6 Shearing resistance of XG solution with different mass fractions of NaCl (Re =30 000)

200×10–6和300×10–6黄原胶盐溶液的减阻率在第二天或第三天均超过了无盐溶液；且这一效果随着盐的质量分数上升得到了增强。因此，盐的加入能提高黄原胶溶液的减阻效果，这和盐能稳定分子构象有关。对于100×10–6黄原胶溶液，在盐的质量分数为500×10–6时，其抗剪切性有更为显著的提升，在第一天的循环剪切中，其减阻率便超过了水溶液；但在盐的质量分数为1000×10–6时，并没有表现出更好的抗剪切性能，其减阻率在实验过程中始终低于无盐溶液。这种现象可能与存在一个最佳质量分数有关，这也表明通过加入盐提高黄原胶溶液的抗剪切性能并不是无条件的，因此，寻找合适的盐的质量分数是提高黄原胶溶液抗剪切性的一种切实可行的方法。