表面活性劑湍流減阻

內(nèi)容概要

　　表面活性劑湍流減阻是流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域多年來的研究熱點(diǎn)，這一現(xiàn)象同時(shí)與湍流、流變學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)研究方法等多個(gè)方面密切相關(guān)，而且對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用推廣需要化工、機(jī)械、市政等不同領(lǐng)域知識(shí)的有機(jī)結(jié)合?！侗砻婊钚詣┩牧鳒p阻》正是在這一背景下，基于表面活性劑湍流減阻流動(dòng)研究領(lǐng)域最新的實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析方面的研究成果，詳細(xì)闡述有關(guān)表面活性劑湍流減阻流動(dòng)的湍流特性、流變學(xué)物性、理論、特殊技術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用方面的問題。
　　《表面活性劑湍流減阻》可供流體力學(xué)、工程熱物理、化學(xué)工程、空調(diào)、制冷等相關(guān)專業(yè)研究生以及相關(guān)研究領(lǐng)域的科研人員參考使用。

書籍目錄

第1章 概論
1.1 背景
1.2 表面活性劑溶液
1.3 表面活性劑減阻機(jī)理及理論
1.3.1 從微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)表面活性劑湍流減阻機(jī)理的解釋
1.3.2 從湍流物理角度對(duì)湍流減阻機(jī)理的解釋
1.4 表面活性劑減阻的應(yīng)用技術(shù)
參考文獻(xiàn)
第2章 表面活性劑減阻流的減阻與換熱性能
2.1 湍流減阻的基本概念
2.2 表面活性劑減阻性能及其影響因素
2.2.1 表面活性劑湍流減阻流動(dòng)特性
2.2.2 表面活性劑減阻流動(dòng)特性的影響因素
2.3 表面活性劑減阻的尺度效應(yīng)及尺度放大方法
2.3.1 尺度效應(yīng)及其影響
2.3.2 尺度放大方法的研究
2.3.3 各種尺度放大方法的適用性評(píng)價(jià)
2.4 表面活性劑的換熱性能及其強(qiáng)化措施
2.4.1 表面活性劑減阻流動(dòng)的對(duì)流換熱特性
2.4.2 表面活性劑減阻流動(dòng)的強(qiáng)化對(duì)流換熱方法
參考文獻(xiàn)
第3章 表面活性劑減阻流的湍流結(jié)構(gòu)
3.1 減阻流湍流結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法
3.1.1 LDV
3.1.2 PIV
3,2減阻流速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性
3.2.1 平均量分布
3.2.2 脈動(dòng)強(qiáng)度分布
3.2.3 脈動(dòng)量相關(guān)性分析
3.2.4 脈動(dòng)量能譜分析
3.3 減阻流內(nèi)湍流渦結(jié)構(gòu)特性
3.3.1 湍渦的識(shí)別方法--旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度法
3.3.2 x-y平面內(nèi)湍渦分布特性
3.3.3 y-z平面內(nèi)湍渦分布特性
3.3.4 x-z平面內(nèi)湍渦分布特性
3.4 雷諾剪切應(yīng)力與壁面法向湍流熱流密度
參考文獻(xiàn)
第4章 表面活性劑減阻流的數(shù)值模擬
4.1 減阻流動(dòng)的直接數(shù)值模擬
4.1.1 減阻流動(dòng)數(shù)學(xué)模型
4.1.2 減阻流動(dòng)數(shù)值模擬方法研究
4.2 減阻流動(dòng)的雷諾平均
4.3 減阻流動(dòng)直接數(shù)值模擬控制方程及數(shù)值方法
4.3.1 控制方程
4.3.2 數(shù)值計(jì)算方法
4.4 減阻流動(dòng)直接數(shù)值模擬結(jié)果及討論
4.4.1 表面活性劑減阻與傳熱的直接數(shù)值模擬
4.4.2 表面活性劑減阻直接數(shù)值模擬中流變參數(shù)的影響
4.4.3 表面活性劑減阻直接數(shù)值模擬的分層模型
4.5 減阻流動(dòng)數(shù)值模擬小結(jié)及展望
參考文獻(xiàn)
第5章 表面活性劑溶液的微觀結(jié)構(gòu)及其流變特性
5.1 表面活性劑溶液的微觀結(jié)構(gòu)及其觀測(cè)方法
5.1.1 表面活性劑溶液的微觀結(jié)構(gòu)
5.1.2 表面活性劑溶液內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)方法
5.2 表面活性劑溶液的流變特性及其測(cè)量方法
5.2.1 流變特性參數(shù)
5.2.2 流變參數(shù)的測(cè)量方法
5.2.3 稀薄表面活性劑減阻溶液流變特性
5.3 表面活性劑溶液流變特性影響因素
5.4 自由面旋轉(zhuǎn)流表征表面活性劑減阻溶液黏彈性的方法
5.5 表面活性劑溶液的分子動(dòng)力學(xué)和布朗動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬
5.5.1 模擬方法簡(jiǎn)述
5.5.2 WK勢(shì)作用模型的布朗動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬
參考文獻(xiàn)
第6章 表面活性劑減阻應(yīng)用技術(shù)
6.1 工程應(yīng)用中需要解決的問題
6.1.1 表面活性劑減阻劑對(duì)換熱器傳熱性能的影響及對(duì)策
6.1.2 表面活性劑減阻劑對(duì)環(huán)境的影響
6.1.3 尺度放大的問題
6.2 表面活性劑溶液的分離技術(shù)
6.3 表面活性劑減阻系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究
6.4 表面活性劑減阻的應(yīng)用實(shí)例
6.4.1 表面活性劑在集中供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用
6.4.2 表面活性劑在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用
6.4.3 實(shí)際應(yīng)用中表面活性劑的選取
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   （1）反離子的濃度 頭基間的靜電力作用限制了低濃度區(qū)膠束的成長(zhǎng)。在低濃度時(shí)，陽(yáng)離子表面活性劑不能構(gòu)建較強(qiáng)的線狀膠束。在溶液中添加反離子，可減小膠束中陽(yáng)離子的靜電斥力，故可促進(jìn)膠束的成長(zhǎng)，使膠束的聚集增強(qiáng)，膠束的長(zhǎng)度和柔性同樣增大。添加反離子，得到的表面活性劑溶液類似于高聚物溶液，顯示黏彈性和強(qiáng)拉伸特性。 （2）反離子的疏水性 反離子的疏水性在決定膠束形狀中起重要作用。反離子疏水性的變強(qiáng)促進(jìn)了表面活性劑和反離子的離子配對(duì)，可有效地降低在聚集中的電荷密度并促進(jìn)膠束生成。 一種反離子的效應(yīng)基于反離子大小、自身疏水性和滲入表面活性劑頭基的能力，也就是反離子的水化能力和表面活性劑頭基之問的離散相互作用強(qiáng)度。表面活性劑和反離子的疏水和親水部分應(yīng)分散得越充分越好。在不同分子之間構(gòu)建強(qiáng)氫鍵的反離子對(duì)減阻更有效。 （3）反離子對(duì)膠束聚集參數(shù)的影響 反離子的結(jié)合態(tài)取決于反離子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、帶電性、大小和極性等。通常，帶芳香環(huán)的有機(jī)反離子比無(wú)機(jī)反離子其作用要強(qiáng)得多。光散射和臨界膠束濃度（CMC）或者膠束中表面活性劑分子的聚集數(shù)目通常被用來研究反離子的效應(yīng)。芳香族有機(jī)帶負(fù)電的反離子，如水楊酸根、甲苯磺酸根、一氯或二氯苯甲酸根、一甲基或二甲基苯甲酸根、羥基萘甲酸根對(duì)促進(jìn)膠束成長(zhǎng)最為有效。 表面活性劑分子的幾何因素決定了膠束的最有利結(jié)構(gòu)。添加反離子抑制了頭基間的靜電斥力，故減小了膠束界面頭基間的距離和頭基的有效表面積，提高了膠束結(jié)構(gòu)的聚集度。一些芳香反離子，如水楊酸根和3，5-二氯苯甲酸，不但可改變極性頭基間的平均距離，而且通過苯環(huán)的滲入部分增大了表面活性劑分子的平均體積，使膠束聚集度得以更大的提高。類似溴離子的反離子也可滲入膠束頭基間，但由于它們尺寸相對(duì)較小，所以不如芳香反離子改變表面活性劑分子體積那樣明顯。無(wú)法滲入的離子，如氯離子，只吸附在膠束和水相界面，因此只影響表面活性劑分子的表面積。因此，可滲入膠束頭基間的大芳香反離子與弱滲入離子（如溴離子）和表面吸附離子（如氯離子）相比，可驅(qū)使膠束在更低的濃度生成。 （4）膠束的滲入能力 反離子水合作用和表面活性劑頭基與反離子間的擴(kuò)散作用強(qiáng)度是決定反離子滲入膠束的重要因素。比起溴離子，氯離子水合化程度更高，滲入能力與屏蔽電荷的能力變?nèi)?。所以，?dāng)氯離子作為反離子在一寬廣的表面活性劑濃度和鹽濃度范圍內(nèi)形成小的球狀膠束，在膠束溶液中只有較低程度的反離子聚集。在某些方面，滲入的反離子類似于共存表面活性劑。對(duì)水合弱而滲入強(qiáng)的反離子，如3，5-二氯苯甲酸和水楊酸，表面活性劑溶液在較低濃度時(shí)便可形成巨大的線狀膠束。 對(duì)芳香反離子，取代基的位置影響滲入能力以至膠束的大小、形狀和柔性，并影響溶液的流變性能。即使是同質(zhì)異構(gòu)的反離子，由于分子結(jié)構(gòu)的不同，也對(duì)流變性有不同的影響。選用4-氯代苯甲酸，表面活性劑溶液呈現(xiàn)線狀膠束微觀結(jié)構(gòu)，有強(qiáng)黏彈性和良好的減阻特性；而選用2-氯代苯甲酸，則表面活性劑溶液只有小的球狀膠束，無(wú)黏彈性和減阻效果。3-氯代苯甲酸的特性介于兩者之間。2，3，4羥基苯甲酸根（水楊酸根）也有類似的結(jié)果。 反離子的疏水性、滲入能力和對(duì)膠束聚集參數(shù)的影響，這三者之間存在緊密的聯(lián)系。反離子的疏水性越強(qiáng)（或反離子上取代基的非極性越強(qiáng)），反離子的深入能力就越強(qiáng)，對(duì)膠束聚集參數(shù)的影響越大。可滲入膠束親水基內(nèi)部的反離子（如水楊酸根）比非結(jié)合反離子（如氯離子）可更有效地促進(jìn)膠束形成。 在線狀膠束的溶液中，靠近圓柱端部與表面活性劑聚集有關(guān)的端部能量Ec，很大程度上取決于反離子比效應(yīng)（counterion-specific effect）。在表面活性劑溶液中添加結(jié)合能力強(qiáng)的反離子，可提高膠束的端部能量，從而有利于柔性變大的膠束的生長(zhǎng)。這為通過改變反離子調(diào)節(jié)膠束大小或柔性提供了可能性。為了得到線狀膠束的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在膠束中的表面活性劑和反離子都必須保持在低能級(jí)，反離子的親水和疏水部分分離得越遠(yuǎn)越好，且位于各自有利的環(huán)境。 反離子可通過共振結(jié)構(gòu)或分子內(nèi)和分子間的氫鍵消散負(fù)電荷。在羧基和羥基間的氫鍵位于不同棒狀膠束間，有助于增強(qiáng)膠束的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 取代基不同也影響流變性。例如：對(duì)四種鹵代苯甲酸根，4-氟苯甲酸根較難形成線狀膠束，即使在反離子與表面活性劑的摩爾比為4時(shí)也只形成少量線狀膠束；而對(duì)氯、溴、碘代苯甲酸根，則很容易形成線狀膠束，且隨著鹵族原子的變大，按F、Cl、Br、I的順序，疏水性、去水的自由能變大，有利于聚集參數(shù)的變大和柔性更大、纏繞更密的線狀結(jié)構(gòu)的生成。 5.4 自由面旋轉(zhuǎn)流表征表面活性劑減阻溶液黏彈性的方法 如前所示，表面活性劑的湍流減阻現(xiàn)象是由其黏彈性所決定的，對(duì)黏彈性的測(cè)量可以進(jìn)行減阻表面活性劑溶液的判別。但流變特性測(cè)量表明，對(duì)虧低濃度表面活性劑溶液，其彈性非常小，以致利用商用流變儀如ARES等無(wú)法測(cè)出其第一正應(yīng)力和彈性模量。因此，人們目前面臨的問題就是如何判別一種小黏彈性的表面活性劑具有減阻特性。Siginer提出了一種利用自由面旋轉(zhuǎn)流的自由面形狀來獲取黏彈性流體本構(gòu)方程信息的思想。Wei等借用這一思想，利用PIV對(duì)表面活性劑減阻溶液CTAC在自由面旋轉(zhuǎn)流中的流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，觀察和分析表面活性劑對(duì)自由面變形和流動(dòng)渦抑制的影響，并與表面活性劑溶液在管道系統(tǒng)中的減阻特性相聯(lián)系，找出一種判別小黏彈性的表面活性劑有否減阻的方法。

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