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黄原胶溶液减阻特性实验

发布日期:2014-11-04 20:10:06
黄原胶溶液减阻特性实验研究
黄原胶溶液减阻特性实验
黄原胶溶液减阻特性实验,采用较粗水平圆管对两种温度多种浓度黄原胶溶液进行了较系统的实验研究,并应用 Metzne—Reed广义雷诺数定义,对管道中不同流动状态的广义雷诺数进行了计算,得到了 Fanning 系数和广义雷诺数关系图,发现黄原胶溶液从层流到紊流转捩点的广义雷诺数随着溶液浓度的升 高而增大,给出了转捩点广义雷诺数与溶液浓度变化的关系表达式.此外还发现:在层流区,黄原胶 溶液的Fanning阻力系数与广义雷诺数之间具有良好的线性关系,与牛顿流体阻力系数图吻合,这 与前人的理论分析及实验研究结果-致;在紊流区,黄原胶溶液具有明显的减阻效应,减阻效应随 着溶液浓度的升高而增大.
黄原胶(Xanthan gum)是以碳水化合物为主要 原料经发酵生成的一种水溶的微生物酸性多糖 (1963年由Jeans等[1]提出),相对分子质量为2 @ 106?1.2@107.文献[2-5]的研究发现,黄原胶是一 种由D■葡萄糖、E-甘露糖、D■葡萄糖醛酸、乙酸和丙 酮酸组成的‘五糖重复单元”结构聚合体,黄原胶溶液减阻特性实验,分子的一 级结构由B键连接的D■葡萄糖基主链与三糖单位 的侧链组成,主链和侧链间通过氢键形成双螺旋和 多重螺旋结构,在水溶液中可以形成类似棒状的刚 性结构,并进一步聚合成螺旋网状聚合体或双螺旋 缔合体.在高温、离子强度很低时或高剪切速率下, 分子结构由棒状变成无规则线团状,且这种不同构象的变化是可逆的.
黄原胶溶液无色、无毒副作用,具有较强的抗降 解性和极高的黏度,是典型的剪切稀化流体,其表观 黏度随着液体温度的升高而下降,随着液体浓度的 升高而升高.黄原胶这些独特的流变性能使其作为 添加剂或助悬剂广泛应用于食品、医药、采油、纺织、 陶瓷、印染、香料、化妆品及消防等领域[5].此外,黄 原胶溶液的透明性、无毒性、抗降解性及与血液流体 比较相似的剪切稀化特性,使其与其他高分子溶液 相比,能更好地作为血液替流体[6〇8]进行一些用量 大、实验周期长的实验研究.
在早期对黄原胶溶液流变特性的实验研究中, Kenis[9]和Bewei.sdoi.ff等[10]分别利用毛细管式流 变仪发现了黄原胶溶液的减阻特性.前者主要阐述 了黄原胶溶液的减阻现象、溶液浓度与降解的关系, 以及减阻在管道中的应用等问题;后者则从不同的 管径(3 146 mm、5. 186 mm 和 6. 067 mm)、商用和 食用黄原胶、添加NaC1和不添加NaC1等方面进 行了实验,其中用3 146 mm管径进行了两种浓度 黄原胶溶液(不添加NaC1)的实验.上述实验的共 同特点是:均采用毛细管式流变仪进行减阻实验,实 验管径小,黄原胶溶液浓度范围窄,数据处理时均用 牛顿流体雷诺数计算方法来计算非牛顿流体雷诺 数此外,Sohn等11]用转盘装置也进行了黄原胶溶 液减阻特性的实验研究,得到了与上述实验一致的 结论.Escudier等[1W3]米用100 mm的圆管和方形 流槽主要对澳门威利斯人88038(CMC,0■ 25%,0 3% 和 0■ 4%)、黄原胶(XG,0 2%)、CMC/XG (0 09%/0. 09%)和聚丙烯酰胺(PAA,0 125% 和 0 2%)几种溶液(溶液含量均为质量分数)的减阻特 性进行了比较,雷诺数的计算方法同上.此外, Pereira等[14]在圆管中研究聚合体减阻特性时,也采 用了两种浓度的黄原胶溶液进行对比实验.总之,前 人对黄原胶溶液减阻特性的认识实验主要是建立在 毛细管流变仪实验的基础上的.后来的一些研究者 虽然也采用了一些较粗的管径,但一般仅采用一种 浓度的黄原胶溶液,且实验主要侧重于对黄原胶溶 液和其他高分子聚合物减阻特性之间的比较,缺乏 对黄原胶溶液减阻特性较系统的实验和认识.鉴于 上述情况,编辑在黄原胶溶液流变特性实验[8]的基 础上,采用较粗的水平圆管对水和不同浓度的黄原 胶溶液进行减阻特性实验,得到了 Fanning阻力系 数和广义雷诺数的关系图,发现:黄原胶溶液从层流 増大,并与溶液浓度之间存在着良好的相关性;在层 流区,黄原胶溶液的Fanning阻力系数关系图与牛 顿流体的关系图完全吻合;在紊流区,黄原胶溶液具 有明显的减阻效应,减阻效应随着溶液浓度的升高 而増大.
1黄原胶溶液减阻特性实验
实验在直径为25 mm的水平有机玻璃圆管中 进行,观测压力段长度为1 m,观测段前后各有1. 5 m的稳定段,距观测段1. 5 m后接数显式电磁流量 计,圆管中的压差采用电容式1151DP型差压计测 量.
实验所采用的黄原胶原材料系山东淄博中轩生 物制品企业生产的食品级黄原胶粉末,黄原胶溶液 由黄原胶粉末加入一定量的自来水通过搅拌调配并 稀释而成,然后静置48 h以上,质量分数分别为 0 04%、0. 06%、0 1%和0 2%.在实验观测过程 中,流体温度分别控制在15 °C和22 °C,黄原胶溶液减阻特性实验,温差变化 在±0 3 °C之间.
2实验结果与分析 2 1非牛顿流体运动特性参数
Metzne-Reed 1955年从研究非时变性黏性流
体圆管层流基本运动出发,得出适用于所有非时变 黏性流体的广义雷诺数[15]
Qr’",2-n)
k’8,n-u
式中:U为管道中流体的流速,m/s; D为管道直径, m;L为水流动力黏滞系数,Pa# s; P为液体密度 kg/ m3; n’为非牛顿流体流变指数;k’为非牛顿流体 流变系数
对于牛顿流体,n’ = 1,k’ = L,代入上式后,即可 得到牛顿流体雷诺数Re= PUD/L
如己知幂律流体的本构方程(可通过实验测量 求得)
S = kCn
则广义雷诺数中n’和k’可计算为
n = n
1 + 3n 4n
式中:S为剪切应力,Pa;C为剪切速率,s-1;k为稠 度系数,Pa# s-1;n为流动指数. 
到紊流转捩点的广义雷诺数随着溶液浓度的升高而有关黄原胶溶液的流变特性实验,编辑己在文
r=0.1319r°- ^2=0.989 8>
献[8y中详细阐述图1和图2分别给出了 15 °c和温度下不同质量分数的溶液均具有很好的幂律关系
22 °C下不同质量分数(0 04%、0. 06%、0 1%和(相关系数R2均在0. 99以上),其相应的和
0 2%)黄原胶溶液的流变特性曲线.由图可见,两个V的统计计算结果见表1.
表1黄原胶溶液的流变特征值及转捩点的广义雷诺数值
w( X(1522。。
G)/ %/
n, nkk/
n, nkk
00012 100
0040. 796 50009 60010 12 5970. 810 20 007 60008 0
0060. 621 60046 4005 0 72 6500. 648 60 037 10040 3
0100. 510 40131 90147 22 9900. 550 10 103 20114 3
0200. 439 60325 00367 03 8200. 523 00 168 50187 6
r=0.009 6^0-7963 r=0.046 4^0 621 6 i?2=〇.999 1 及 2=0.994
 
图3 22 °C时单位管长水及黄原胶溶液的压降比较
图115 °C时黄原胶溶液的流变特性曲线
与Fanning阻力系数的关系.由图可见,溶液点群明 显位于水流点群之下,且浓度越高,点群越靠下,说 明黄原胶溶液的紊流减阻效应随着溶液浓度的升高
=0.995 
 
 
=0.998 5
而增大,与前述的结论一致.
 
_及2=0.993 3
0.04 0.06 0.10 0.20
=0.007 6r0-8102
及2=0.998 2
图2 22 °C时黄原胶溶液的流变特性曲线
Fanning阻力系数[7为
f ' (1/ 2) QU2
式中.为壁面切应力,Pa;/和阻力系数K的关系 为4f.
22黄原胶溶液减阻特性分析
图3为22 °C时水和黄原胶溶液单位管长压降 AJP和管内平均流速U的关系.由图可见.•在相同流 速下,黄原胶溶液的压降明显小于水流压降,这说明 黄原胶溶液具有明显的减阻效应,黄原胶溶液减阻特性实验,随着管内流速的 增大及溶液浓度的升高,溶液和水的压降差值也变 大,说明黄原胶溶液减阻效应更明显.
图5为15 °C时水和黄原胶溶液的广义雷诺数 与Fanning阻力系数的关系.由图可见,不同浓度的 曲线均存在着一个明显的转折点,这个转折点就是 管内流态从层流向紊流变化的转捩点(转捩点广义 雷诺数值见表1),在转捩点左侧的点群属于层流 区,在转捩点右侧的点群属于紊流区.在层流区溶 液的点群均落在f-Rj关系曲线的两侧,即层流区 溶液的阻力系数和水的阻力系数均满足/= 16/ 的线性关系,这与前人的理论分析及实验结果是一 致的,•在紊流区位于水流点群下方的依次为质量分 
图4为22 T时水和黄原胶溶液的广义雷诺数数° 04% ,0 06% .°1%和°2%溶液的点群,与 22 °C实验的结论一致,区别在于在15 °C时,质量 分数0. 2%溶液的减阻效应增幅较小,与0 1%溶液 的减阻效应接近.
 
图6给出了 15 °C时溶液质量分数与转捩点广 义雷诺数的关系图.由图可见,转捩点广义雷诺数与 溶液质量分数之间具有很好的线性关系(相关系数 R2= 0 991 1),即
Re' = 0. 833 3 w(XG) + 2 164 8
 
3黄原胶溶液减阻特性实验结论
在两个温度下对水平圆管内多种浓度的黄原胶 溶液进行了实验研究,得到了 Fanning阻力系数和 广义雷诺数的关系图,发现黄原胶溶液从层流到紊 流转捩点的广义雷诺数随着溶液浓度的升高而增 大;给出了转捩点广义雷诺数与溶液浓度变化的关 系表达式.在层流区,黄原胶溶液Fanning阻力系数 和广义雷诺数的关系图与牛顿流体阻力系数图相吻 合;在紊流区,黄原胶溶液具有明显的减阻效应,减 阻效应随着溶液浓度的升高而增大.
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