泡沫薄膜液在直管内的流动特性研究
泡沫流体在强化采油(EOR)及地下储存温室气体二氧化碳方面具有很大的发展潜力。根据泡沫液在多孔介质内的流动特点,本文采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基磺酸钠(SDS)和曲拉通(TX-100)作为表面活性剂,通过自己搭建的实验平台分别测量了上述三种溶液的表面张力,并进一步研究了其表面张力随浓度的变化规律,然后对泡沫薄膜液在直管内的流动特性及其影响因素进行了分析研究。 实验结果表明: (1)管内泡沫液流动表现出剪切变稀的非牛顿流体的行为特征；泡沫液的表观粘度随着剪切速度的增加,在一定范围内,迅速减小:泡沫是由90%以上的气体组成,但在管直径5.9mm,管长94cm,剪切速率为20s-1和50s-1时其表观粘度分别为0.050Pa·s和0.038Pa·s,分别是水的50倍和38倍；当剪切速度进一步增大时,表观粘度趋于一个定值,但其值始终大于水的表观粘度0.001Pa·s。 (2)表面活性剂溶液对泡沫薄膜液的表观粘度有比较明显的影响,包括浓度的影响和起泡剂的影响。相同剪切速度下表面活性剂溶液的浓度越大其表观粘度越大,管直径5.9mm,管长94cm,在剪切速率为50s-1的情况下,浓度分别为3.2g/L、4.8g/L、6.4g/L、14g/L时的表观粘度分别为:0.021Pa·s、0.027Pa·s、0.034Pa·s、0.038Pa·s,虽然表面张力变化不大,但随着浓度增加,管内泡沫总个数增加,故表观粘度也增大。不同起泡剂对薄膜液流动特性也有明显的影响,相同剪切速率下SDS的表观粘度大于SDBS的表观粘度。在实验条件下,剪切速率为30s-1时,SDS泡沫的表观粘度为0.10Pa·s大于SDBS的表观粘度,两者相差大约0.05Pa·s。 (3)气体内在相对流动阻力特性影响。在相同的剪切速率下,二氧化碳作为内在相得到的泡沫流体比空气的表观粘度小,是由于二氧化碳溶解在溶液中对流体的起泡特性产生了影响。在剪切速率为15s-1时,二氧化碳表观粘度为0.10Pa·s,比空气为内在相时小0.04Pa·s。 (4)相同的表面活性剂溶液在不同的管径中表现出了不同的流动特性:在相同的剪切速率下,随着管径的增大,表观粘度值增大。 (5)压降组成分析,以总压差为850Pa的数据为例,其中由重力引起的压差为:11.05Pa；附面层引起的压降为:67.56Pa,大约占总压差的10%左右；由可视化分析得出由表面张力引起的压差为:724.80Pa。分析说明泡沫薄膜液的流动阻力主要来自于表面张力,但附面层引起的压差也不可忽略。分析中存在46.59Pa的压力差,小于总压差的6%。 (6)综合各种影响因素对泡沫薄膜液在管内的流动特性进行了无量纲化分析,并与现有的理论进行了对比。在实验范围内(0.01＜μU/s＜0.06),泡沫薄膜液的流动特性符合方程△P=4.08(3μu/σ)0.45σ/r。与Bretherton的模型相比,总体符合较好。由于Bretherton的理论仅适用于μU/s小于0.01的范围,因此实验结果对研究较高剪切速率下的泡沫液流动具有一定的指导意义。无量纲化之后的量与量纲单位无关,对于指导泡沫薄膜液在实际中的应用更具普遍性和广泛性。 (7)将薄膜液作为单相非牛顿流,利用幂律流体本构方程建立模型,用FLUENT软件模拟了不同入口速度下管道沿程压力变化曲线。结果表明:随着流体速度的增大,管道进出口的压力差先逐渐增大,后趋于平缓,显示出剪切变稀的特性；计算结果与实验结果数据及趋势均一致,验证了计算和假设的正确性。 (8)对实验数据进行了误差分析,得出表面张力的最大相对误差为2.50%,表观粘度的最大相对误差为8.82%,在合理误差范围内。 本课题的研究对于泡沫薄膜液在实际中的应用提供一定的理论指导,对泡沫薄膜液在多孔介质内流变特性的进一步分析打下了良好的理论基础。
泡沫薄膜液;流动特性;多孔介质;表面活性剂;表面张力;直管
青岛科技大学
硕士
热能工程
杜东兴
2012
中文
TB43
86
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）