阅读说明：本技术 判断表面活性剂的剪切诱导结构在流场空间上分布的方法 (Method for judging distribution of shear-induced structure of surfactant on flow field space ) 是由 付在国 梁潇天 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种判断表面活性剂的剪切诱导结构在流场空间上分布的方法。本发明在表面活性剂溶液造成的减阻流动中,应用粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术对槽道内瞬时速度场进行测量,根据湍流统计理论,利用计算程序对速度场进行统计计算,掌握流向速度梯度的分布,基于应力平衡方程以及流向速度梯度的分布,判断出表面活性剂的剪切诱导结构在流场空间上的分布特征。(The invention relates to a method for judging the distribution of a shear-induced structure of a surfactant on a flow field space. In the resistance-reducing flow caused by the surfactant solution, the instantaneous velocity field in the channel is measured by using a Particle Image Velocimetry (PIV) technology, the velocity field is statistically calculated by using a calculation program according to a turbulence statistical theory, the distribution of the flow direction velocity gradient is mastered, and the distribution characteristics of the shear induction structure of the surfactant in the flow field space are judged based on a stress balance equation and the distribution of the flow direction velocity gradient.)

判断表面活性剂的剪切诱导结构在流场空间上分布的方法

技术领域

本发明涉及一种基于对表面活性剂溶液减阻流动中速度的统计判断剪切诱导结构分布的方法，属于粘弹性流体减阻流动技术领域。

背景技术

伴随着世界性能源危机的逐渐加剧，节能减排已经成为大势所趋，在流体输运过程中，摩擦阻力是主要的耗能来源，所以研究湍流减阻意义十分的重大。

在水中加入少量的表面活性剂，可以有效减小流体湍流流动的阻力，从而能够降低远距离流体输送中的能耗。

学界认为表面活性剂溶液形成粘弹性减阻流动的关键在于流动中形成了一种被称为剪切诱导结构(Shear Induced Structures，SIS)的有效表面活性剂结构。它是表面活性剂分子在其浓度超过临界值后形成的网状聚集体，有粘弹性，受剪切后结构易恢复。但是SIS的微观结构难以捕捉，掌握其分布特征可用于解读其减阻机理，也能用于数值模拟中建立描述其受力与变形的本构模型。SIS的分布特征还可用于预测表面活性剂溶液在各种应用场合(比如向壁面湍流中实施外部扰动等)的流动特征及减阻特性。

发明内容

本发明的目的是：根据减阻流中流向速度梯度的分布判断剪切诱导结构在流场中的分布特征。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种判断表面活性剂的剪切诱导结构在流场空间上分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在水中加入表面活性剂形成溶液，由溶液作为流动介质在槽道中形成减阻流动，将流动介质的流动方向定义为X轴方向，将槽道的垂直壁面方向定义为Y轴方向；

步骤2、测试前进行测量位置与流动尺寸标定，将快速响应的电耦合器件相机对焦在待测平面上，待测平面位于X-Y平面内；

步骤3、应用粒子成像测速PIV技术对待测平面内瞬时速度场进行测量；

步骤4、结合互相关图像分析技术统计得到表面活性剂溶液减阻流动的瞬时X-Y平面速度场，获得瞬时速度场图像；

步骤5、基于计算程序统计分析瞬时速度场图像，得到流向速度梯度场，基于应力平衡方程，根据高、低速度梯度的分布判断剪切诱导结构在空间上的分布，其中，应力平衡方程为

式中，τ为总的应力，

为粘性应力，

为流向速度梯度，τ_Re为雷诺剪切应力，τ_ve为粘弹性应力；

基于应力平衡方程

假设流场中某处SIS结构少，则此处弹性应力τ_ve小，而雷诺剪切应力τ_Re在较高减阻率的减阻流中可忽略不计，根据应力平衡，此时要求内摩擦力

较大，由于此处SIS结构少，粘度μ小，必然要求流向速度梯度

大，如此便可根据高流向速度梯度判断此处存在较少的SIS结构

基于应力平衡方程

假设流场中某处SIS结构多，则此处弹性应力τ_ve大，而雷诺剪切应力τ_Rq在较高减阻率的减阻流中可忽略不计，根据应力平衡，此时要求内摩擦力

较小，由于此处SIS结构多，粘度μ大，必然要求流向速度梯度

小，如此便可根据低流向速度梯度判断此处存在较多的SIS结构。

优选地，步骤1中，所述表面活性剂属水溶性，为离子型表面活性剂。

优选地，步骤5中，获得所述流向速度梯度场包括以下步骤：

利用计算程序在每个距壁面特定距离的位置取瞬时速度场图像进行速度统计分析，获得流场中流向速度梯度在垂直壁面方向上的分布，获得所述流向速度梯度场。

本发明在表面活性剂溶液造成的减阻流动中，应用粒子成像测速(ParticleImage Velocimetry，PIV)技术对槽道内瞬时速度场进行测量，根据湍流统计理论，利用计算程序对速度场进行统计计算，掌握流向速度梯度的分布，基于应力平衡方程以及流向速度梯度的分布，判断出表面活性剂的剪切诱导结构在流场空间上的分布特征。

附图说明

图1是一种基于对表面活性剂溶液减阻流动中速度的统计判断剪切诱导结构分布的方法的实施流程图。

图2是针对槽道壁湍流采用PIV系统测试X-Y平面速度场的示意图。

图3是槽道壁湍流中表面活性剂溶液减阻流动某瞬时流向速度梯度场。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明涉及一种基于对表面活性剂溶液减阻流动中速度的统计判断剪切诱导结构分布的方法，包括以下步骤：

步骤1、实验以采用质量浓度为40ppm的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)的水溶液作为流动介质在槽道中形成减阻流动为例，将流动介质的流动方向定义为X轴方向，将槽道的垂直壁面方向定义为Y轴方向。

步骤2、测试前进行测量平面位置与流动尺寸标定，将快速响应的电耦合器件(CCD)相机对焦在待测平面上。

步骤3、应用粒子成像测速(PIV)技术对槽道内流向与垂直壁面方向(X-Y)平面内瞬时速度场进行测量，PIV技术为常规平面激光测速技术，具有较高分辨率。PIV测试系统如图2所示。

步骤4、结合互相关图像分析技术得到表面活性剂溶液减阻流动X-Y平面的瞬时速度场。

步骤5、基于计算程序统计分析瞬时速度场图像，得到各瞬时流向速度梯度场。基于应力平衡方程，根据高、低速度梯度的分布判断剪切诱导结构在空间上的分布特征。

如图3表面活性剂溶液减阻流动瞬时流向速度梯度场所示，从左下到右上倾斜的深色条纹结构表示高流向速度梯度(浅色区代表低流向速度梯度)，在整个槽道流中，速度梯度越大，颜色越深。横坐标代表流向方向(X方向)，纵坐标代表垂直壁面方向(Y方向)，h为槽道的半高。

区域B中流向速度梯度较小，假设此处SIS结构分布较少，则对应弹性应力τ_ve小，粘度也较小，

整体较小，即内摩擦力较小，基于应力平衡方程

考虑各处雷诺剪切应力τ_Re都趋于零，则合力不会与相邻层平衡，故关于此处SIS结构分布较少的假设不成立。于是可以判断在低速度梯度区域B存在较多的SIS结构。

区域A中流向速度梯度较大，假设此处SIS结构分布较多，则对应弹性应力τ_ve大，粘度也较大，

整体较大，即内摩擦力较大，基于应力平衡方程考虑各处雷诺剪切应力τ_Re都趋于零，则合力不会与相邻层平衡，故关于此处SIS结构分布较多的假设不成立。于是可以判断在高速度梯度区域A存在较少的SIS结构。

基于上述分析，可从速度梯度的变化得出，在低的流向速度梯度区域B出现较多的剪切诱导结构SIS。