表面活性劑湍流減阻（簡體書）

《表面活性劑湍流減阻》可供流體力學、工程熱物理、化學工程、空調、制冷等相關專業研究生以及相關研究領域的科研人員參考使用。

第1章 概論
1.1 背景
1.2 表面活性劑溶液
1.3 表面活性劑減阻機理及理論
1.3.1 從微觀結構角度對表面活性劑湍流減阻機理的解釋
1.3.2 從湍流物理角度對湍流減阻機理的解釋
1.4 表面活性劑減阻的應用技術
參考文獻
第2章 表面活性劑減阻流的減阻與換熱性能
2.1 湍流減阻的基本概念
2.2 表面活性劑減阻性能及其影響因素
2.2.1 表面活性劑湍流減阻流動特性
2.2.2 表面活性劑減阻流動特性的影響因素
2.3 表面活性劑減阻的尺度效應及尺度放大方法
2.3.1 尺度效應及其影響
2.3.2 尺度放大方法的研究
2.3.3 各種尺度放大方法的適用性評價
2.4 表面活性劑的換熱性能及其強化措施
2.4.1 表面活性劑減阻流動的對流換熱特性
2.4.2 表面活性劑減阻流動的強化對流換熱方法
參考文獻
第3章 表面活性劑減阻流的湍流結構
3.1 減阻流湍流結構的測量方法
3.1.1 LDV
3.1.2 PIV
3.2 減阻流速度場及溫度場統計特性
3.2.1 平均量分布
3.2.2 脈動強度分布
3.2.3 脈動量相關性分析
3.2.4 脈動量能譜分析
3.3 減阻流內湍流渦結構特性
3.3.1 湍渦的識別方法——旋轉強度法
3.3.2 x-y 平面內湍渦分布特性
3.3.3 y-z平面內湍渦分布特性
3.3.4 x-z平面內湍渦分布特性
3.4 雷諾剪切應力與壁面法向湍流熱流密度
參考文獻
第4章 表面活性劑減阻流的數值模擬
4.1 減阻流動的直接數值模擬
4.1.1 減阻流動數學模型
4.1.2 減阻流動數值模擬方法研究
4.2 減阻流動的雷諾平均
4.3 減阻流動直接數值模擬控制方程及數值方法
4.3.1 控制方程
4.3.2 數值計算方法
4.4 減阻流動直接數值模擬結果及討論
4.4.1 表面活性劑減阻與傳熱的直接數值模擬
4.4.2 表面活性劑減阻直接數值模擬中流變參數的影響
4.4.3 表面活性劑減阻直接數值模擬的分層模型
4.5 減阻流動數值模擬小結及展望
參考文獻
第5章 表面活性劑溶液的微觀結構及其流變特性
5.1 表面活性劑溶液的微觀結構及其觀測方法
5.1.1 表面活性劑溶液的微觀結構
5.1.2 表面活性劑溶液內微觀結構的觀測方法
5.2 表面活性劑溶液的流變特性及其測量方法
5.2.1 流變特性參數
5.2.2 流變參數的測量方法
5.2.3 稀薄表面活性劑減阻溶液流變特性
5.3 表面活性劑溶液流變特性影響因素
5.4 自由面旋轉流表征表面活性劑減阻溶液黏彈性的方法
5.5 表面活性劑溶液的分子動力學和布朗動力學數值模擬
5.5.1 模擬方法簡述
5.5.2 WK勢作用模型的布朗動力學數值模擬
參考文獻
第6章 表面活性劑減阻應用技術
6.1 工程應用中需要解決的問題
6.1.1 表面活性劑減阻劑對換熱器傳熱性能的影響及對策
6.1.2 表面活性劑減阻劑對環境的影響
6.1.3 尺度放大的問題
6.2 表面活性劑溶液的分離技術
6.3 表面活性劑減阻系統穩定性的研究
6.4 表面活性劑減阻的應用實例
6.4.1 表面活性劑在集中供暖系統中的應用
6.4.2 表面活性劑在中央空調系統中的應用
6.4.3 實際應用中表面活性劑的選取
參考文獻

（1）反離子的濃度
頭基間的靜電力作用限制了低濃度區膠束的成長。在低濃度時，陽離子表面活性劑不能構建較強的線狀膠束。在溶液中添加反離子，可減小膠束中陽離子的靜電斥力，故可促進膠束的成長，使膠束的聚集增強，膠束的長度和柔性同樣增大。添加反離子，得到的表面活性劑溶液類似于高聚物溶液，顯示黏彈性和強拉伸特性。
（2）反離子的疏水性
反離子的疏水性在決定膠束形狀中起重要作用。反離子疏水性的變強促進了表面活性劑和反離子的離子配對，可有效地降低在聚集中的電荷密度并促進膠束生成。
一種反離子的效應基于反離子大小、自身疏水性和滲入表面活性劑頭基的能力，也就是反離子的水化能力和表面活性劑頭基之問的離散相互作用強度。表面活性劑和反離子的疏水和親水部分應分散得越充分越好。在不同分子之間構建強氫鍵的反離子對減阻更有效。
（3）反離子對膠束聚集參數的影響
反離子的結合態取決于反離子的化學結構、帶電性、大小和極性等。通常，帶芳香環的有機反離子比無機反離子其作用要強得多。光散射和臨界膠束濃度（CMC）或者膠束中表面活性劑分子的聚集數目通常被用來研究反離子的效應。芳香族有機帶負電的反離子，如水楊酸根、甲苯磺酸根、一氯或二氯苯甲酸根、一甲基或二甲基苯甲酸根、羥基萘甲酸根對促進膠束成長最為有效。
表面活性劑分子的幾何因素決定了膠束的最有利結構。添加反離子抑制了頭基間的靜電斥力，故減小了膠束界面頭基間的距離和頭基的有效表面積，提高了膠束結構的聚集度。一些芳香反離子，如水楊酸根和3，5-二氯苯甲酸，不但可改變極性頭基間的平均距離，而且通過苯環的滲入部分增大了表面活性劑分子的平均體積，使膠束聚集度得以更大的提高。類似溴離子的反離子也可滲入膠束頭基間，但由于它們尺寸相對較小，所以不如芳香反離子改變表面活性劑分子體積那樣明顯。無法滲入的離子，如氯離子，只吸附在膠束和水相界面，因此只影響表面活性劑分子的表面積。因此，可滲入膠束頭基間的大芳香反離子與弱滲入離子（如溴離子）和表面吸附離子（如氯離子）相比，可驅使膠束在更低的濃度生成。
（4）膠束的滲入能力
反離子水合作用和表面活性劑頭基與反離子間的擴散作用強度是決定反離子滲入膠束的重要因素。比起溴離子，氯離子水合化程度更高，滲入能力與屏蔽電荷的能力變弱。所以，當氯離子作為反離子在一寬廣的表面活性劑濃度和鹽濃度范圍內形成小的球狀膠束，在膠束溶液中只有較低程度的反離子聚集。在某些方面，滲入的反離子類似于共存表面活性劑。對水合弱而滲入強的反離子，如3，5-二氯苯甲酸和水楊酸，表面活性劑溶液在較低濃度時便可形成巨大的線狀膠束。
對芳香反離子，取代基的位置影響滲入能力以至膠束的大小、形狀和柔性，并影響溶液的流變性能。即使是同質異構的反離子，由于分子結構的不同，也對流變性有不同的影響。選用4-氯代苯甲酸，表面活性劑溶液呈現線狀膠束微觀結構，有強黏彈性和良好的減阻特性；而選用2-氯代苯甲酸，則表面活性劑溶液只有小的球狀膠束，無黏彈性和減阻效果。3-氯代苯甲酸的特性介于兩者之間。2，3，4羥基苯甲酸根（水楊酸根）也有類似的結果。
反離子的疏水性、滲入能力和對膠束聚集參數的影響，這三者之間存在緊密的聯系。反離子的疏水性越強（或反離子上取代基的非極性越強），反離子的深入能力就越強，對膠束聚集參數的影響越大。可滲入膠束親水基內部的反離子（如水楊酸根）比非結合反離子（如氯離子）可更有效地促進膠束形成。
在線狀膠束的溶液中，靠近圓柱端部與表面活性劑聚集有關的端部能量Ec，很大程度上取決于反離子比效應（counterion-specific effect）。在表面活性劑溶液中添加結合能力強的反離子，可提高膠束的端部能量，從而有利于柔性變大的膠束的生長。這為通過改變反離子調節膠束大小或柔性提供了可能性。為了得到線狀膠束的穩定結構，在膠束中的表面活性劑和反離子都必須保持在低能級，反離子的親水和疏水部分分離得越遠越好，且位于各自有利的環境。
反離子可通過共振結構或分子內和分子間的氫鍵消散負電荷。在羧基和羥基間的氫鍵位于不同棒狀膠束間，有助于增強膠束的網狀結構。
取代基不同也影響流變性。例如：對四種鹵代苯甲酸根，4-氟苯甲酸根較難形成線狀膠束，即使在反離子與表面活性劑的摩爾比為4時也只形成少量線狀膠束；而對氯、溴、碘代苯甲酸根，則很容易形成線狀膠束，且隨著鹵族原子的變大，按F、Cl、Br、I的順序，疏水性、去水的自由能變大，有利于聚集參數的變大和柔性更大、纏繞更密的線狀結構的生成。
5.4 自由面旋轉流表征表面活性劑減阻溶液黏彈性的方法
如前所示，表面活性劑的湍流減阻現象是由其黏彈性所決定的，對黏彈性的測量可以進行減阻表面活性劑溶液的判別。但流變特性測量表明，對虧低濃度表面活性劑溶液，其彈性非常小，以致利用商用流變儀如ARES等無法測出其第一正應力和彈性模量。因此，人們目前面臨的問題就是如何判別一種小黏彈性的表面活性劑具有減阻特性。Siginer提出了一種利用自由面旋轉流的自由面形狀來獲取黏彈性流體本構方程信息的思想。Wei等借用這一思想，利用PIV對表面活性劑減阻溶液CTAC在自由面旋轉流中的流動特性進行實驗研究，觀察和分析表面活性劑對自由面變形和流動渦抑制的影響，并與表面活性劑溶液在管道系統中的減阻特性相聯系，找出一種判別小黏彈性的表面活性劑有否減阻的方法。