CN115979893A

CN115979893A - 一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置

Info

Publication number: CN115979893A
Application number: CN202310154176.1A
Authority: CN
Inventors: 陈阳; 张湄于; 肖欢; 何明兰; 罗进
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2023-02-23
Filing date: 2023-02-23
Publication date: 2023-04-18

Abstract

本发明涉及流体力学中的湍流控制领域，公开一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置。该装置由氮气吹扫系统、实验溶液加入系统、气体压力供给系统、减阻剂环道测试系统、废液回收系统和数据采集系统组成。所述氮气吹扫系统用于排空管内空气、微粒杂质及实验残余液体；所述气体压力供给系统用于提供液体循环流动压力条件；所述减阻剂环道测试系统用于环道内溶液无剪切循环湍流减阻流动。本实验装置采用氮气对测试系统提供动力来源，利用电机带动双活塞进行往复运动实现压力控制，使溶液在测试环道内多次循环，不受到离心泵的机械剪切作用。应用本发明装置可实现无泵剪切条件下聚合物减阻剂对溶剂湍流减阻性能评价和抗剪切性能评价。

Description

一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置

技术领域

本发明涉及流体力学中的湍流控制领域，具体涉及一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置。

背景技术

管道输送中存在湍流损耗，通常在管道中添加减阻剂使湍流结构发生改变而受到抑制，从而降低流体在管道输送中的摩擦阻力。工业中常用两类减阻剂，一类是表面活性剂，一类是柔性高分子聚合物。表面活性剂是在流体中形成胶束而实现减阻，具有良好的抗剪切性能，但要实现减阻，表面活性剂的含量必须达到临界浓度，用量较大，且表面活性剂会影响流体质量，因此通常适用于工业用水输送；在溶液中溶入少量的长链高分子聚合物可明显降低聚合物溶液的流动摩阻，但在高速湍流中其分子量极易因分子链的断裂而降低，即发生机械剪切降解，从而降低减阻效果。对于高分子减阻剂来说，这种降解是永久性的、不可逆的。

目前对于高分子减阻剂湍流减阻的降解研究大多依靠旋转圆盘或旋转圆筒实验，分析其在旋转绕流内的降解规律，但难以准确建立旋转流与管道流之间的关系。研究人员在分析高分子减阻剂在管道流内的降解规律过程中，使用小型实验环道模拟实际长输管道测定减阻效率与时间的关系，不可避免的要进行连续实验，而在连续实验中需要使用动力装置对液体持续供能，其中离心泵则通常作为动力装置使用。然而实验中离心泵叶片的高速搅拌会导致高分子聚合物的长链断裂，在持续的泵叶片的机械剪切作用下，无法区分高分子降解是由于管道内发生的流动剪切还是泵的机械剪切作用导致，进而无法对某种高分子减阻剂进行真实有效的抗剪切性能评价，影响实际长输管道投放减阻剂的评选筛定。

由此可见，为规避高分子减阻剂在环道循环流动中所受到的机械剪切，亟需设计一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，对高分子聚合物的湍流减阻和剪切降解机理进行研究，并对其抗剪切性能进行评价，为若干种不同减阻剂进行优劣评定提供依据，增加长输管道流体输送的经济效益，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，使减阻剂的室内实验测试效果接近于实际长输管道流动减阻效果，进而实现减阻剂在长输管道湍流流动中的减阻性能评价和抗剪切性能评价。

本发明包括氮气吹扫系统、实验溶液加入系统、气体压力供给系统、减阻剂环道测试系统、废液回收系统和数据采集系统。

氮气吹扫系统用于排空管内空气、微粒杂质及实验残余液体，由20L氮气瓶(7)、减压阀(9)、闸阀(18)、(19)，缸体(5)、三通阀门(22)、压力传感器(25)、(26)和实验环道组成。所述实验环道为管长15m，内径15mm，壁厚3mm的有机玻璃管，其中直管段总长12m，弯管段总长3m。所述减压阀(9)置于氮气瓶(7)出口端，与闸阀(19)连接。所述三通阀门(22)置于缸体(5)流入口前，实现空气排空。管道沿线安装量程为0～0.6MPa，精度0.2级的压力传感器(25)、(26)，其目的在于吹扫过程中监测环道压力。

实验溶液加入系统用于纯溶剂和聚合物溶液的注入，由储罐(33)、(34)，闸阀(35)、(36)和缸体(4)、(5)组成，用于纯溶剂和聚合物溶液的注入。

气体压力供给系统用于提供液体循环流动压力条件，由20L氮气瓶(6)、(7)，减压阀(8)、(9)，闸阀(16)、(17)、(18)、(19)，压力表(27)、(28)，活塞(2)、(3)和缸体(4)、(5)组成，能根据实际实验要求，输出不同压力，为整个环道内实验液体循环流动提供压力条件。氮气瓶(6)、(7)出口分别接减压阀(8)、(9)，通过调节减压阀(8)、(9)，观察压力表(27)、(28)读数，保证两缸体内压力一致。在氮气注压阶段，活塞在缸体的位置应保持不变。所述氮气瓶出口采用不锈钢管套件连接，不锈钢管与缸体(4)、(5)采用焊接。

减阻剂环道测试系统用于环道内溶液无剪切循环湍流减阻流动，由双轴伸电机(1)、活塞(2)、(3)，缸体(4)、(5)，脉动阻尼器(10)、(11)，单向阀(12)、(13)、(14)、(15)，压力传感器(25)、(26)，温度传感器(29)、流量计(30)和实验环道组成。所述缸体(4)、(5)为直径15cm，高度40cm的圆柱体，由球墨铸铁材料所制，在其内壁上制备非晶态薄膜，其目的是保证连续工作中活塞的耐磨性，增加使用寿命。双轴伸电机(1)与活塞(2)、(3)连接，活塞由电机(1)带动在缸体(4)、(5)内往复运动所产生的容积变化，使氮气压力变化，从而传递给液体的压力发生改变。具体过程为：当活塞(3)向下运动运行到下止点时(下止点距离缸体底部10cm，其目的是避免氮气进入环道，造成管道两相流)，压缩气体体积，气体压力迅速增加，缸体内溶液获得压能流入环道；同时活塞(2)向上运动并同时到达缸体(4)内上止点(距离缸体顶部10cm)，过程中缸体内压力释放，环道溶液流回缸体，实现实验溶液在环道中无剪切多次循环流动。所述活塞(2)、(3)按正弦规律上下往复循环运动，起始点相差1/2周期，活塞运动周期由电机转速决定。

所述活塞运动在上下止点之间所提供的压力范围为0～0.4MPa，以输送水为例，水在该压力下流速范围为0～28m/s，其雷诺数最高为4.2×10⁵。

所述脉动阻尼器(10)、(11)分别置于单向阀(13)、(15)之前，可消除管道中由于压力脉动所产生的影响，以及避免水击现象对管路元件产生的影响。

所述压力传感器(25)、(26)设于缸体前/后1m处，压力传感器(25)与(26)之间为压差测试管段(37)。所述流量计(30)设于缸体后1m处，其目的是保证实验数据准确性。

电机控制活塞装置结构如图2所示，所述双轴伸电机(1)两端分别安装曲轴(38)、(39)，通过曲轴上连接的连杆(40)、(41)，将力传递给活塞(2)、(3)，从而实现将电机转轴的旋转运动转化为活塞的上下往复线性运动。其中活塞四周环形槽内嵌入钢制活塞环，并在活塞环表面刷镀耐磨材料，既可保证活塞与缸体之间的密封性，又避免活塞与缸体壁直接接触，降低摩擦阻力。

废液回收系统用于回收实验液体，由回收罐(24)、闸阀(19)、(23)和氮气瓶(7)组成。回收罐(24)通过闸阀(23)与实验环道相连接，在完成上述的溶液循环流动测试后，关闭电机(1)，大部分溶液经过闸阀(23)自流到回收罐(24)内，无法自流的小部分溶液配合所述氮气吹扫系统施加压力流入回收罐(24)。

数据采集系统用于实验所测数据的采集及处理，由压力传感器(25)、(26)，温度传感器(29)、流量计(30)、数据采集器(31)和计算机(32)组成。管路沿线安装压力传感器(25)、(26)，监测聚合物溶液在环道中压力变化，计算机(32)自动采集计量并存储压力、流量、温度、时间参数，从而实现减阻剂湍流减阻效率评价和减阻剂抗剪切性能评价。

附图说明

构成本申请的一部分说明书附图提供对本申请的进一步理解，本申请的说明用于理解本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置流程示意图

1-双轴伸电机；2、3-活塞；4、5-缸体；6、7-氮气瓶；8、9-减压阀；10、11-脉动阻尼器；12、13、14、15-单向阀；16、17、18、19、20、21、22、23、35、36-闸阀；24-回收罐；25、26、27、28-压力传感器；29-温度传感器；30-流量计；31-数据采集器；32-计算机；33、34-储罐；37-压差测试管段。

图2为双轴伸电机控制活塞装置结构示意图

1-双轴伸电机；2、3-活塞；4、5-缸体；38、39-曲柄；40、41-连杆。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明，下面将通过实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下实例。

实施例1

实例1的目的是运用本测试环道进行聚合物减阻剂对溶剂湍流减阻性能评价实验。在流量和温度恒定的情况下，通过加剂前后不同位置压力传感器的压差，计算得到该减阻剂样品对于溶剂在湍流流动中的减阻效率。

减阻率计算公式：

其中，ΔP_N，ΔP_p分别表示纯溶剂与聚合物溶液在压力测试管段(37)前后压差，Pa。

操作步骤

S1气体排空：关闭储罐前阀门(35)、(36)，回收罐前闸阀(23)和缸体壁侧闸阀(16)、(17)，开启闸阀(19～21)和三通阀门(22)，打开氮气瓶(7)，通过调节减压阀(9)调节输出氮气气体压力。吹扫系统持续10分钟后，完成整个环道吹扫工作。

S2添加纯溶剂、注气加压：吹扫工作完成后，关闭缸体前闸阀(20)、(21)，将装有纯溶剂储罐(33)、(34)前闸阀(35)、(36)开启，溶剂流入缸体(4)、(5)。加液完成后，开启闸阀(20)、(21)，使其流入环道。实验中，在溶剂流入环道过程可开启氮气瓶(6)、(7)，关闭缸体壁侧阀门(16)、(17)，在氮气压力的作用下使溶剂充满管道后，关闭三通阀门(22)。开启气体压力供给系统前，先打开缸体壁侧阀门(16)、(17)，观察压力表(27)、(28)，使之前充入的氮气排出。随后关闭阀门(16)、(17)，缓缓打开氮气瓶(6)、(7)，调节减压阀(8)、(9)至0.2MPa，观察缸体壁侧压力表(27)、(28)，使充入缸体气体压力一致。

S3减阻剂湍流减阻测试：在溶剂完全充满环道，缸体加注氮气完成后，关闭氮气瓶出口阀门和闸阀(18)、(19)，启动电机(1)，电机转轴开始定速转动，通过曲轴(38)、(39)连接连杆(40)、(41)，从而推动活塞(2)、(3)上下往复运动。纯溶剂试验结束后，开启闸阀(23)，纯溶剂回收至回收罐(24)，并对环道按照所述吹扫系统进行吹扫。吹扫完成后将一定浓度聚合物溶液添加至储罐(33)、(34)，加剂后减阻实验与纯溶剂测试实验步骤相同。实验时，流量计数据保持恒定后，观察压力传感器(25)、(26)的压力数值是否发生较大波动，并通过数据接收器(31)收集实时数据，传递到计算机端，从而获得加剂前后测试管段压差ΔP_P、ΔP_N。

实验中，所述活塞(2)、(3)在实验开始前所置位置应如图2所示，所述连杆(40)、(41)顶部水平位置平行，启动电机后活塞运动方向相反，保证在任意极短时间内溶液在环道循环流动中供给压力和释放压力一致，避免湍流流动中产生脉动。

S4数据处理：开启电机(1)的同时计算机(32)记录实验数据，实验结束后，在软件数据库中调出实验数据，通过已设定的减阻率计算公式对数据进行处理分析，实现减阻剂湍流减阻性能评价。

所述实施例1的聚合物减阻剂对溶剂湍流减阻性能评价实验可适用于成品油、水等溶剂的湍流减阻测试。

实施例2

实例2的目的是用本测试环道进行减阻剂抗剪切性能评价实验。在保持输送流量和温度恒定的情况下，将添加减阻剂溶液在环道中多次循环，从而模拟长输管道中减阻剂由于湍流脉动产生的机械剪切降解情况。不同时刻所采集的压力值，可计算出不同时刻聚合物对溶剂湍流减阻率，模拟并观察减阻率的递减规律，从而分析减阻剂样品的抗剪切性能。

剪切降解率公式：

其中，DR_deg(t₁)，DR_deg(t₂)分别为同一实验测试条件下t₁，t₂时刻测得的湍流减阻效率。

操作步骤

进行减阻剂抗剪切性能评价实验可在所述实施例1的加剂后减阻实验之后进行，当聚合物减阻实验数据采集完毕后，继续进行循环实验，其步骤与所述实施例1相同，区别在于降解实验的时间更长以及数据采集系统中对数据的处理不同。实施例2的数据处理采用上述的剪切降解率公式进行计算，从而对所加入的减阻剂样品抗剪切性进行评价。

本发明的有效增益是：装置采用氮气对测试系统提供动力来源，利用电机带动双活塞进行往复运动实现压力控制，使溶液在测试环道内多次循环，不受到离心泵的机械剪切作用。应用本发明装置可实现无泵剪切条件下聚合物减阻剂对溶剂湍流减阻性能评价和抗剪切性能评价。

Claims

1.一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述装置由氮气吹扫系统、实验溶液加入系统、气体压力供给系统、减阻剂环道测试系统、废液回收系统和数据采集系统组成；所述氮气吹扫系统用于排空管内空气、微粒杂质及实验残余液体；所述实验溶液加入系统用于纯溶剂和聚合物溶液的注入；所述气体压力供给系统用于提供实验液体循环流动压力条件；所述减阻剂环道测试系统用于环道内溶液无剪切循环湍流减阻流动；所述废液回收系统与实验环道直接相连，用于回收实验液体；所述数据采集系统用于实验所测数据的采集及处理。

2.根据权力要求1所述的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述的氮气吹扫系统包括20L氮气瓶(7)、减压阀(9)、闸阀(18)、(19)，缸体(5)、三通阀门(22)、压力传感器(25)、(26)和实验环道；所述实验环道为管长15m，内径15mm，壁厚3mm的有机玻璃管，其中直管段总长12m，弯管段总长3m；所述减压阀(9)置于氮气瓶(7)出口端，与闸阀(19)连接；所述三通阀门(22)安装于缸体(5)流入口前；所述压力传感器(25)、(26)量程为0～0.6MPa，精度为0.2级。

3.根据权力要求1所述的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述的实验溶液加入系统包括储罐(33)、(34)，闸阀(35)、(36)和缸体(4)、(5)；所述实验溶液加入系统直接与实验环道连接。

4.根据权力要求1所述的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述的气体压力供给系统包括20L氮气瓶(6)、(7)，减压阀(8)、(9)，闸阀(16)、(17)、(18)、(19)，压力表(27)、(28)，活塞(2)、(3)和缸体(4)、(5)；所述氮气瓶出口采用不锈钢管套件连接，不锈钢管与缸体(4)、(5)采用焊接。

5.根据权力要求1所述的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述的减阻剂环道测试系统包括双轴伸电机(1)、活塞(2)、(3)，缸体(4)、(5)，脉动阻尼器(10)、(11)，单向阀(12)、(13)、(14)、(15)，压力传感器(25)、(26)，温度传感器(29)、流量计(30)和实验环道；所述双轴伸电机(1)与活塞(2)、(3)连接，活塞由电机(1)带动在缸体(4)、(5)内往复运动；所述缸体(4)、(5)为直径15cm，高度40cm的圆柱体，由球墨铸铁材料所制；所述脉动阻尼器(10)、(11)分别置于单向阀(13)、(15)之前；所述压力传感器(25)、(26)设于缸体前/后1m处，压力传感器(25)与(26)之间为压差测试管段(37)；所述活塞四周环形槽内嵌入钢制活塞环，并在活塞环表面刷镀耐磨材料。

6.根据权力要求1所述的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述的废液回收系统系统包括回收罐(24)、闸阀(19)、(23)和氮气瓶(7)；所述回收罐(24)通过闸阀(23)与实验环道连接。

7.根据权力要求1所述的一种无泵剪切湍流减阻测量循环装置，其特征在于，所述的数据采集系统包括压力传感器(25)、(26)，温度传感器(29)、流量计(30)、数据采集器(31)和计算机(32)。