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Tw――加热面的壁温,K;

Tf――减阻溶液当地流体温度,由计算得出,K;

Q――加热面的加热功率,W ;

S――流道横截面积 m2;

cp――流体比热,J/kg. 进一部计算局部Nux: (2) 其中:H――通道高度,mm;

λs――溶剂的导热系数,W/(m.K). 数据简化时,一般采用溶剂的热物性数据代替溶液的热物性数据,这样做有两个原因,一是因为大多数减阻溶液的浓度都很低,属于稀溶液范畴,二者的热物性数据相差不大;

二是便于与纯溶剂的实验结果作比较. 为了对比减阻溶液传热系数的下降程度,测试时是先对水进行测试,再对减阻溶液进行测试,进而可以计算减阻溶液的传热下降百分比: (3) 其中:HTR%――传热下降百分比;

Nuwater――水的努谢尔数;

Nusurfactant――表面活性剂溶液的努谢尔数. 实验时为了检验实验系统的可靠性,将水的测试结果与同等条件下Gnielinski方程的求解结果做比较.Gnielinski方程[16]为(4) 对于液体 其中:D――水力半径,mm;

L――加热段长度,mm;

ReD――水力半径计算的雷诺数;

Pr――普朗特数,其中下标f是主流温度下的Pr,而下标w是壁温下的Pr. 实验及结果分析 实验结果及现象 本文把加热段分为五段来进行减阻溶液传热特性实验,对溶液在二维通道内的局部努谢尔数进行研究.热电偶均布置在每段加热段的中心部位对温度进行测量,具体位置在x/H=

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70、98和124.75这五处.本实验先在该系统中对纯水的传热特性进行了实验.纯水的实验结果在图4中可以看到,其中水的Nu数与方程(4)的理论值基本吻合,误差在工程允许误差范围以内,从而确定了整个实验系统的准确性. 图4显示了距加热段入口处140mm下游,即x/H=14处不同温度、不同雷诺数条件下的局部努谢尔数.从该图中明显的看到相对于纯水,在每一温度条件下该表面活性剂溶液的局部努谢尔数会有一个很大的降低.在溶液温度较低的情况下(15℃),溶液的局部努谢尔数和水的相差相比于其他的温度条件下的差值是最小,并且该温度条件下溶液只保持了很小的一段低值,然后就随着溶液雷诺数的增加达到了一个临界值,溶液雷诺数继续的增加会使其努谢尔数提高,也就意味着溶液的传热性能提高很多,最终会随着雷诺数增加升高到水的程度.所以文中把这个拐点所对应的雷诺数被定义为该温度条件下的临界雷诺数,Rech (critical Reynolds number of heat transfer characteristic curve). 图4 75ppm CTAC减阻溶液x/H=14处努谢尔数 Fig.4 Nu of 75ppm CTAC solution changes with Reynolds number at x/H=14 另外从图4中看到,随着溶液温度的升高,溶液的传热特性曲线所表现出来的现象是整体向右移,这就意味着溶液在一个比较低的Nu数状态下的雷诺数范围会随着温度的增长逐渐扩大,但是每一个温度下都会有一个临界雷诺数,雷诺数增长到该雷诺数时Nu会急剧的增大.并且图4显示,在不同的温度条件下,当溶液的雷诺数不超过其临界雷诺数时,溶液的Nu数非常的相近,并且没有太大的变化,这也是一个很有意思的现象. 同时溶液的临界雷诺数会随着溶液温度的升高而增大(如图5所示),并且会在某一温度值下,溶液的临界雷诺数达到峰值,而后随着温度的升高,溶液的临界雷诺数不升反降.可以从图4中直观的看出来在温度升高到50℃时溶液的传热特性曲线相比于45℃,其传热特性曲线会随着温度的增加向低温条件下的移动,这就表示溶液的临界雷诺数在温度为45℃时达到了最大值.因此在此浓度条件下45℃是一个特殊的温度点,本文把这一温度定义为该浓度下表面活性剂溶液传热特性曲线的临界温度,Tch (critical temperature of heat transfer characteristic curve). 图5 75ppm CTAC减阻溶液临界雷诺数随温度变化图 Fig.5 Critical Reynolds number of 75ppm CTAC solution changes with solution temperature 上面所述均为加热段第一个测量点的传热特性,要想得到该表该面活性剂溶液在整个加热段的传热特性,必须对其他的四个点进行数据处理和分析.75ppm浓度的CTAC表面活性剂溶液在整个二维通道加热段的传热特性曲线图可见图6所示.为了更加清晰的看到各段传热特性的异同,本文把加热段的五个局部Nu整合到一起进行分析. 图6 75ppm CTAC减阻溶液传热特性图 Fig.6 Heat transfer characteristic of 75ppm CTAC solution 图6显示的是75ppm浓度的CTAC表面活性剂溶液距加热段入口处五个不同位置点在不同温度、不同雷诺数条件下的局部努谢尔数.从图中可以发现,虽然五个位置距入口段的距离不一样,但是每一个测量点都有一些相似的现象:随着表面活性剂溶液温度的升高,溶液的临界雷诺数都会增加到一个峰值,然后在达到溶液的临界温度以后,温度的增加会使临界雷诺数降低.并且在溶液达到临界雷诺数以后,随着雷诺数的再增加,各个位置溶液的局部努谢尔数都会急剧的升高,最终会达到水的努谢尔数水平. 但是不同位置的传热特性还是表现出一些差异:总体来说,距加热段入口越近的位置,其局部努谢尔数相比较其他位置要大一些,而且其他位置的局部努谢尔数会随着其距加热段入口距离的增加而减小. 为了比较不同浓度下该减阻剂的传热特性,在做完浓度为75ppm溶液的传热特性实验后,还对浓度为100ppm和200ppm的表面活性剂溶液也在不同温度、不同雷诺数下进行了实验研究.为了能做出比较,本文对这两种浓度的溶液都做到了临界温度状态,具体结果见图7和图8所示. 图7 100ppmCTAC减阻溶液传热特性图 Fig.7 Heat transfer characteristic of 100ppm CTAC solution 图8 200ppmCTAC减阻溶液传热特性图 Fig.8 Heat transfer characteristic of 200ppm CTAC solution 国家自然科学基金(No. 10602043, 50821064);