黄原胶又称黄胶、汉生胶, 呈白色或米黄色, 是一种天然多糖和重要的生物高聚物, 由甘蓝黑腐病野油菜黄单胞菌以碳水化合物为主要原料, 经好氧发酵生物工程技术产生。从化学结构来看, 黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酸组成的"五糖重复单元"聚合而成的生物高分子聚合物, 其相对分子量在2×106~5×107之间[1]。由于其相对分子量较大, 分子链具有长直链, 且主链上带有少量较大的侧链, 这些结构特性使其成为一种很好的减阻剂[2]。此外, 与大多数柔性合成聚合物相比, 黄原胶在去离子水以及盐溶液中表现为更加剪切稳定的减阻剂[3-4]。
高分子减阻技术于1948年第一届国际流变学会议上由Toms首次报告, 表明在氯苯中添加少量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 可大幅度降低流动阻力, 该现象被称为"Toms效应"[5]。随后, 该现象吸引了众多学者对高分子减阻技术进行广泛研究。在早期对黄原胶盐溶液减阻特性的实验研究中, Sohn等[6]利用转盘装置在去离子水以及盐溶液(NaCl溶液)中研究不同分子量的黄原胶的减阻特性以及抗剪切特性, 发现其减阻特性在盐溶液中比在去离子水中更稳定。Wyatt等[7]采用预混式和拟均匀混合两种方法, 在不同管径的管道(6.35mm管径的不锈钢管, 管径12.7和25.4mm的铜管)中研究添加NaCl和不添加NaCl的黄原胶溶液的减阻特性, 并从零剪切粘度对黄原胶溶液原液浓度依赖性方面确定了3个临界浓度, 该实验侧重于原液浓度变化, 且稀释后溶液的浓度为一定值。Hong等[4]采用转盘装置研究KCl的添加对黄原胶溶液减阻特性的影响, 并验证了适用于减阻降解拟合分析的模型。Carmona等[8]研究了在大幅度震荡剪切下, NaCl含量对黄原胶溶液抗剪切特性的影响, 确定了黄原胶溶液的非线性动态粘弹性与NaCl含量的函数关系。马宗豪和卞永宁[9]实验发现加入一定浓度NaCl能有效缓解非牛顿流体剪切粘度随时间的依存性问题。Gasljevic等[10]综合对比分析了聚氧化乙烯和黄原胶的减阻特性、流变特性、抗降解行为以及盐含量和高聚物浓度对减阻类型的影响。总的来看, 对黄原胶盐溶液减阻特性及抗剪切特性, 前人主要使用转盘装置开展相关实验研究, 虽然也有在不同管径中进行, 但是浓度单一。本文采用直径为20mm的水平光滑圆管, 对不同质量分数的黄原胶盐溶液进行减阻特性及抗剪切特性实验, 主要研究黄原胶盐溶液的浓度(质量分数)效应、温度效应及其抗剪切特性。
1 实验系统 1.1 实验装置实验装置在课题组设计的装置[11]上改造升级而成(如图 1所示)。实验管道为有机玻璃管, 管道AE段直径20mm。根据White[12]提出的经验公式, 在压力测量点B之前, AB段的长度应满足不小于138倍管径的条件, 本文设置为2.8m, 完全达到克服湍流流动端口效应的要求。管道测试段BC的长度为2m。
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| 图 1 实验装置原理图 Fig.1 Schematic of the experimental setup |
实验采用差压变送器测量测试段BC两端的压降水头, 其测量精度可达0.25%;采用体积法与电磁流量计两种方式测量流量, 相对误差小于0.1%;以变频器调节离心泵的转速, 并配合布置在各管道上的阀门控制管道流速; 在储液箱和测量槽位置采用温度计测量溶液温度, 实验过程中溶液温度波动范围可控制在±1℃范围内。
1.2 溶液配制课题组前期已对质量分数在(50~550)×10-6范围内的黄原胶水溶液的减阻特性进行了实验研究[13-14], 表明黄原胶水溶液质量分数在500×10-6时就已经达到饱和减阻, 其后减阻率不再随浓度增加而增加。而本文旨在研究向黄原胶水溶液添加等量NaCl后的减阻及抗剪切特性, 并与黄原胶水溶液的相关特性作对比, 故仅选择质量分数为300×10-6、400×10-6、500×10-6的黄原胶盐溶液进行研究。但由于影响高聚物流变性的因素较多, 可能会因某一条件的微小变化而导致减阻曲线发生改变, 所以也再次进行了3种质量分数下黄原胶水溶液的相关特性实验。
黄原胶盐溶液按照加入NaCl的质量等于相应条件下黄原胶水溶液中所含黄原胶的质量来进行配制。溶液配制过程如下:首先配制质量分数为1×10-2的黄原胶母液, 静置24h, 确保黄原胶或者添加NaCl的黄原胶充分溶解于水; 然后将母液加入储液箱, 用自来水稀释为一定质量分数的溶液, 再静置8h, 确保实验时母液与水混合均匀。
1.3 实验方法对黄原胶水溶液、黄原胶盐溶液进行减阻及抗剪切特性的实验, 实验控制参数如下:(1)实验管道直径:20mm; (2)黄原胶溶液的质量分数(ω): 300×10-6、400×10-6和500×10-6; (3)流速, 用平均流动雷诺数Re来表征(
在圆管流动中, 圆管的沿程阻力系数[13]为:
(1)
式中:Δh为实验管段(BC测试段)的水头差, m; l为实验管段管长, m; Q为体积流量, m3/s; g为重力加速度, m/s2。
同一雷诺数下, 减阻率DR的表达式为:
(2)
式中:λ为实验黄原胶溶液圆管流动的沿程阻力系数, λw为相对应的清水圆管流动的沿程阻力系数。
2 实验结果与讨论 2.1 浓度(质量分数)效应为研究添加NaCl的黄原胶盐溶液减阻特性的浓度(质量分数)效应, 在20℃条件下进行黄原胶盐溶液减阻特性实验, 实验结果如图 2(a)所示。为对比分析, 图 2(b)给出了相应质量分数黄原胶水溶液的减阻特性。
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| 图 2 不同质量分数黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液减阻率随Re的变化曲线 Fig.2 Drag reduction rate vs. Re number for XG/NaCl solution and XG aqueous solution at different mass fractions |
在图 2(a)中, 显示了质量分数分别为300×10-6、400×10-6和500×10-6的黄原胶盐溶液的减阻特性, 可以发现:仅在流动雷诺数低于4.5×104时, 质量分数为500×10-6的黄原胶盐溶液的减阻率略高于质量分数为400×10-6的黄原胶盐溶液; 在饱和稳定后, 两者减阻率随Re的变化曲线几乎重合, 约为定值48.5%。两者与质量分数为300×10-6的黄原胶盐溶液相比, 饱和减阻率相差较大(300×10-6黄原胶盐溶液的减阻率在饱和稳定后约为定值39.5%)。而从图 2(b)可以看出:在不同质量分数下, 黄原胶水溶液的减阻率随Re的变化并不呈现上述特性, 而是在饱和稳定后达到不同的减阻率。
为了更清楚明晰地进行分析, 对3种质量分数的黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液的减阻特性逐一进行对比, 如图 3所示。一方面, 可以明显发现:在饱和稳定后, 3种不同质量分数的黄原胶盐溶液的减阻率均比黄原胶水溶液的减阻率大, 但其随Re的变化却有所不同。对于质量分数为300×10-6的黄原胶盐溶液(图 3(a)), 当Re低于4.1×104时, 其减阻率低于黄原胶水溶液的减阻率; 当Re超过4.1×104时, 才高于黄原胶水溶液的减阻率。而对于质量分数为400×10-6、500×10-6的黄原胶盐溶液(图 3(b)、(c)), 当Re低于2.2×104时, 其减阻率均低于黄原胶水溶液的减阻率; 当Re数超过2.2×104时, 则高于黄原胶水溶液的减阻率。另一方面, 对比减阻率数值也可发现:质量分数为300×10-6、500×10-6的黄原胶盐溶液, 与相应质量分数黄原胶水溶液的饱和减阻率差异较小, 均约为2%。但质量分数为400×10-6的黄原胶盐溶液, 其饱和减阻率与黄原胶水溶液相比增加却较多, 约为9%。通过对图 2、3的综合分析, 可以认为向质量分数为400×10-6的黄原胶水溶液中添加等量的NaCl是实验条件下的最佳配比。
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| 图 3 3种质量分数黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液减阻率随Re变化的曲线对比 Fig.3 Drag reduction rate vs. Re number for XG/NaCl solution and XG aqueous solution for three different mass fractions |
图 2、3中黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液在减阻稳定后的减阻率大小差异, 可以归因于NaCl的添加导致黄原胶分子构象发生变化。当溶液中没有添加NaCl时, 黄原胶分子链以无序或部分按随机断裂的螺旋形式排列, 且由于侧链上带电基团的静电排斥而被高度拉伸。当将NaCl加入到溶液中时, 足够多的钠离子能够消除分子链上负电荷产生的斥力。这些钠离子与侧链相结合, 使黄原胶分子链变得平滑、具有弹性, 分子间斥力减少, 因此黄原胶在NaCl溶液中的粘度低于水溶液中的粘度。粘度降低的同时, 黄原胶分子链会发生无序到有序的转变, 其中主链呈螺旋构象, 带电的三糖侧链将重构回到主链上, 从而稳定有序构象[15]。伴随以上两种变化, 黄原胶盐溶液的流变性也将发生变化。这些变化的综合作用, 将增大流体的湍流强度, 并导致减阻率增大(即减阻率随雷诺数增大而增大[16], 但非无限制增大)。因此, 减阻稳定后, 相比黄原胶水溶液, 黄原胶盐溶液的减阻率较大。
质量分数为400×10-6和500×10-6的黄原胶盐溶液在减阻饱和稳定后的减阻率曲线基本一致(图 2(a))。初步研究表明:虽然黄原胶盐溶液中的黄原胶分子的弹性模量随着黄原胶质量分数的增加而增加, 但其存在饱和现象, 即在20℃条件下, 超过一定质量分数后, 盐的增加对黄原胶盐溶液的粘度并无改变, 反而可能因为NaCl含量过多, 增加了黄原胶分子的刚性, 使其弹性模量降低, 导致减阻率增幅较小。而质量分数为300×10-6的黄原胶盐溶液中的NaCl含量又不足, 故质量分数为400×10-6的黄原胶盐溶液中NaCl的含量最佳。
此外, 对同一质量分数下黄原胶盐溶液与黄原胶水溶液的减阻率随Re变化的减阻率曲线(图 3), 二者存在一个交叉转变点, 即:开始时黄原胶盐溶液的减阻率低于黄原胶水溶液, 随后迅速增加并超过黄原胶水溶液。由于加盐黄原胶溶液的剪切变稀行为比较复杂, 除了与溶液离子强度、分子螺旋和无序构象的不同状态有关, 也可能与黄原胶在具有各向异性或各向同性的溶液中复合的构象变化相关。因此该现象的产生可能是由于黄原胶分子与流动之间的相互作用程度不同, 这导致黄原胶盐溶液的减阻优势仅体现在较高雷诺数时, 而在较低雷诺数下并无优势。
2.2 温度效应众所周知, 黄原胶在一定温度下会发生构象转变, 但黄原胶的水溶液在10 ~ 80℃之间粘度几乎没有变化, 即低质量分数的黄原胶水溶液在较大的温度范围内始终显示出稳定的高粘度。而当质量分数为1×10-2的黄原胶溶液加入等量氯化钾时, 将其从25℃加热到120℃, 其粘度也仅降低3%[17], 表明黄原胶盐溶液有明显的耐高温抗盐性。因此, 为进一步探索黄原胶盐溶液的减阻特性, 在20、27和35℃等3个温度下, 对添加NaCl的黄原胶盐溶液进行相关实验研究, 并作出了黄原胶盐溶液的沿程阻力系数随Re的变化曲线, 如图 4所示。图中, T代表牛顿流体在湍流区的摩擦阻力系数曲线, 即Prandtl-Karman曲线, 用方程
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| 图 4 不同温度下的黄原胶盐溶液的沿程阻力系数随Re的变化曲线 Fig.4 The friction factor vs. Re number for XG/NaCl solution at different temperatures |
从图 4可以看出:(1)在不同温度下, 3种不同质量分数的黄原胶盐溶液的沿程阻力系数均随雷诺数的增大而趋于稳定, 且质量分数越高, 达到稳定状态的雷诺数越大; (2) 3种不同质量分数的黄原胶盐溶液的沿程阻力系数均在较低雷诺数时受温度影响比较明显, 且此时温度越高, 沿程阻力系数越接近Virk曲线(即减阻效果越好), 而减阻稳定后, 则无太大差异。因此, 可以推断黄原胶盐溶液中的黄原胶分子构象在较低雷诺数下对温度较为敏感, 而随着雷诺数的增大, 则表现出较强的耐温性。
2.3 抗剪切特性为研究黄原胶盐溶液在连续循环剪切作用下的抗剪切特性以及机械降解的可逆性, 在雷诺数约为7×104、水温27℃的情况下, 在20mm管径中对质量分数分别为300×10-6、400×10-6和500×10-6的黄原胶盐溶液进行连续循环剪切。每组实验进行3d, 每天8h, 然后静置16h。实验过程中, 每隔1h记录一次数据, 结果如图 5所示。图中也给出了黄原胶水溶液的抗剪切特性曲线以作对比。
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| 图 5 不同质量分数黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液在机械剪切后的减阻率(Re=7×104) Fig.5 Drag reduction rate of XG/NaCl solution and XG aqueous solution after mechanical shearing at different mass fractions (Re=7×104) |
从图 5可以看出:(1)无论NaCl添加与否, 不同质量分数的黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液的减阻率均产生相应降低, 且减阻率均在第一天降幅明显, 随后两天下降趋势变缓。而经过为期3d、每天8h的连续循环剪切后, 无论加不加盐, 质量分数300×10-6和500×10-6的黄原胶溶液减阻率降幅均在17%左右, 仅质量分数400×10-6的黄原胶溶液减阻率降幅(无盐, 13%;加盐, 21%)与前两种溶液有所不同, 但变化也不大, 表明与黄原胶水溶液相比, 添加NaCl的黄原胶盐溶液并没有表现出抗降解优势。但基于黄原胶盐溶液的减阻优势, 剪切停止后其减阻率仍然高于黄原胶水溶液。(2)在每次长时间静置之后, 减阻率都有微小回升, 但是在连续剪切作用下, 回升又迅速转为下降, 表明黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液的机械降解均是不完全可逆的; 同时, 也表明盐的加入不能改变高聚物的结构, 也不能改变高聚物水溶液在管内的湍流流动本质。(3)质量分数为400×10-6的黄原胶盐溶液虽然开始时与质量分数为500×10-6黄原胶盐溶液的减阻效果并无差异, 但经过连续剪切之后, 其减阻率降低得非常快, 最后甚至低于质量分数为400×10-6的黄原胶水溶液, 尤其是在第一天降幅达到15%, 随后才变得平缓。对于这一现象, 本文尚不能给出明确解释, 可能是因为当质量分数为400×10-6时, 盐含量与黄原胶质量是最佳减阻配比, 但二者之间的相互作用受剪切影响较大, 会发生黄原胶分子重构甚至解构, 导致其减阻效果迅速降低。
综上所述, 对于黄原胶盐溶液和黄原胶水溶液而言, 连续剪切导致的分子链断裂均是不完全可逆的。经过一系列高强度连续剪切后, 其盐溶液减阻率降幅最大为21%, 说明添加NaCl的黄原胶盐溶液与黄原胶水溶液一样具有较好的抗降解性能。
3 结论采用实验方法研究了不同质量分数的黄原胶盐溶液在光滑管道流动中的减阻特性, 并与黄原胶水溶液进行了对比分析, 主要结论如下:
(1) 黄原胶盐溶液的减阻性能与盐含量有关, 且存在盐含量与黄原胶质量的最佳配比, 并非盐含量越高减阻性能越好。在本文实验范围内, 其最佳配比存在于质量分数为400×10-6的黄原胶盐溶液中。
(2) 在较低雷诺数下, 添加NaCl的黄原胶盐溶液的减阻效果不及黄原胶水溶液; 而随着雷诺数增加, 黄原胶盐溶液的减阻率迅速增加, 在减阻稳定后, 表现出的减阻效果明显优于黄原胶水溶液。
(3) 黄原胶盐溶液在不同温度下的沿程阻力系数均随雷诺数的增大而减小, 并逐渐趋于稳定, 达到稳定后表现出较好的耐温性。
(4) 黄原胶盐溶液具有较好的抗剪切性能, 但其机械降解仍是不完全可逆的, 并没有因为NaCl的添加而有所改观。
以上是本文的主要结论, 对黄原胶盐溶液的减阻特性和减阻机理, 还需开展进一步的实验和探讨。
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