Khảo sát thực nghiệm giảm lực cản bằng các chất phụ gia của dòng chảy rối trong ống mao dẫn (Capillary)

Giảm lực cản dòng chảy rối của các dung dịch surfactant đã được khảo sát bằng thực nghiệm trong ống mao dẫn (capillary) với đường kính trong 0,9mm. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy sự xuất hiện giảm lực cản trong các tổ hợp surfactant với counterion được khảo sát. Nồng độ counterion cũng ảnh hưởng đến mức độ giảm lực cản của các dung dịch surfactant.

BÀI BÁO KHOA HỌC KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM GIẢM LỰC CẢN BẰNG CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA DÒNG CHẢY RỐI TRONG ỐNG MAO DẪN (CAPILLARY) Nguyễn Anh Tuấn1 Tóm tắt: Giảm lực cản dòng chảy rối dung dịch surfactant khảo sát thực nghiệm ống mao dẫn (capillary) với đường kính 0,9mm Kết thực nghiệm cho thấy xuất giảm lực cản tổ hợp surfactant với counterion khảo sát Nồng độ counterion ảnh hưởng đến mức độ giảm lực cản dung dịch surfactant Tổ hợp surfactant 500ppm x20 cho giảm lực cản lên đến gần 40% ứng suất trượt lớn 300 N/m2 Dung dịch với chất phụ gia ống nano các-bon dùng nghiên cứu giảm lực cản Kết cho thấy ống nano các-bon gây tượng giảm lực cản dòng tốc độ cao ống mao dẫn (capillary) Tuy nhiên kết nhiều hạn chế cần khắc phục nghiên cứu Từ khóa: Ống mao dẫn, lực cản dòng chảy rối, surfactant, Nano carbon GIỚI THIỆU CHUNG* Giảm lực cản dòng chảy rối chất phụ gia nhận quan tâm lớn nhiều nhà khoa học nửa kỷ qua giúp tiết kiệm lượng bơm trình vận chuyển dịng chất lỏng Hiện tượng giảm ma sát xuất thêm lượng nhỏ định chất phụ gia vào dòng chất lỏng chảy rối Có ba loại chất phụ gia giảm lực cản chủ yếu polymer, surfactant sợi Hầu hết nhà nghiên cứu khẳng định chất phụ gia polymer khơng gây giảm lực cản dịng chảy rối vùng ứng suất trượt lớn polymer bị thối biến chịu ứng suất trượt cao Do chất phụ gia polymer không dung để nghiên cứu giảm lực cản khu vực có ứng suất trượt cao Các chất phụ gia surfactant có ưu điểm polymer cấu trúc nano chúng tự sử chữa sau bị phá vỡ ứng suất trượt cao Ưu điểm chất phụ gia surfactant hứa hẹn cho dịng có ứng suất cao dịng ống có đường kính nhỏ ống capillary hay công nghệ bôi trơn Một loại chất phụ gia khác quan tâm nghiên cứu ống nano các-bon (carbon Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi nanotube) ống nano các-bon dập xốy rối dịng chảy Dịng ống mao dẫn (capillary) đươc sử dụng thông dụng máy móc hệ thống khí tích hệ thống điều khiển thủy lực, hay ứng dụng việc bôi trơn phận chi tiết máy cơng nghiệp, máy móc thiết bị xây dựng Trong ứng dụng điều kiện làm việc điều kiện ứng suất trượt cao Những lợi chất giảm lực cản surfactant có nhiều hữu ích với ứng dụng khu vực ứng suất trượt cao dòng capillary Mục đích nghiên cứu khảo sát thực nghiệm tượng giảm lực cản chất surfactant ống nano các-bon ống capillary có đường kính xấp xỉ 0,9 mm Chúng tơi khảo sát hệ số ma sát dòng ống với chất lỏng nước so sãnh với loại dung dịch giảm lực cản nghiên cứu MÔ TẢ MẠCH THÍ NGHIỆM VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu thí nghiệm Trong nghiên cứu chúng tơi sử dụng hai loại chất phụ gia để thí nghiệm giảm lực cản ống capillary Chất phụ gia thứ hoạt chất bề mặt surfactant loại Ethoquad 0/12 kết hợp với muối sodium salicylate sử dụng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 91 đối ion (counterion) Tổ hợp surfactant counterion pha với nước để có hai tổ hợp dung dịch thí nghiệm có nồng độ surfactant 500 ppm, nồng độ counterion tướng ứng gấp mười lần hai mươi lần nồng độ phân tử surfactant Sau ký hiệu 500ppm x10 500ppm x20 Chất phụ gia thứ hai ống nano các-bon (carbon nanotube) pha với nước với nồng độ 0,5%, sau ký hiệu VGCFX-0,5% Hình Sơ đồ mạch thí nghiệm 2.2 Mạch thí nghiệm Sơ đồ mạch thí nghiệm bố trí Hình bao gồm pittong dịch chuyển tịnh tiến bên xilanh Một động chuyển động thẳng tuyến tính sử dụng tác động vào cán pittong làm cho pittong dịch chuyển tịnh tiến xi lanh Tốc độ chuyển động pittong được ghi lại thông qua nguồn laze kết nối đồng với máy tính (a) (b) Hình Đầu lắp ống capillary Hình 2(a) bốn đoạn ống capillary thép khơng gỉ đường kính 0,9 mm với chiều dài tương ứng L1 = 39,45 mm, L2 = 54,25 mm, L3 = 62,25 mm L4 = 75,35 mm Keo sử dụng để gắn bốn đoạn ống capillary với bốn đầu lắp ống capillary đảm bảo khơng bị rị rỉ chịu áp suất cao Chúng chế tạo đầu lắp ống capillary vật liệu đồng hình 2(b) Để dẫn dung dịch sensor đo áp suất, tạo đường thông với khoang chứa dung dịch phía trước ống capillary 92 hình vẽ Các giá trị áp suất đo lối vào ống capillary ghi lại kết nối với đồng với máy tính Tồn mạch thí nghiệm thực phịng có nhiệt độ trì nhiệt độ 20+/- độ C KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Với thiết kế thí nghiệm này, đo áp suất lối vào ống capillary Do bốn ống capillary có chiều dài khác nên áp suất cửa vào ống khác Để xác định chênh lệch áp suất ( P) chiều KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) dài ống khác nhau, sử dụng phương pháp vẽ biểu đồ Bagley (Bagley plot) [1] Hình Hệ số hiệu chỉnh Begley sát thành ống số Reynolds (ở số Reynolds xác định dựa độ nhớt nước) Cả ba dung dịch thể hệ số ma sat thành ống giảm số Reynolds khoảng 3000 Tuy nhiên giảm ma sát thành ống dung dịch ống nano cacbon không nhiều Dung dịch surfactant 500 ppm x20 cho thấy hệ số ma sát thành ống tiếp tục giảm số Reynolds lên đến 10000 Hình biểu diễn mối quan hệ phần trăm giảm lực cản với ứng suất trượt Rõ ràng dung dịch surfactant 500 ppm x20 cho khả giảm lực cản lớn ứng suất trượt lên đến 300 (N/m2) Hai dung dịch cịn lại khơng thể giảm lực cản giá trị ứng suất trượt Nồng độ counterion ảnh hưởng đến phần trăm giảm lực cản dung dịch surfactant Sau xác định chênh lệch áp suất với chiều dài ống khác nhau, hệ số ma sát (λ) thành ống xác định theo cơng thức Trong đó: : Hệ số ma sát thành ống : Chênh lệch (giảm) áp suất khác chiều dài ống d: Đường kính ống L: Chiều dài ống V: Vận tốc dịng ống : Khối lượng riêng dung dịch thí nghiệm Hình Phần trăm giảm lực cản dung dịch ống capillary Hình Mối quan hệ hệ số ma sát thành ống số Reynolds Hình thể mối quan hệ hệ số ma KẾT LUẬN Trong thí nghiệm khảo sát giảm lực cản ống capillary, dung dịch thí nghiệm cho kết giảm lực cản Dung dịch surfactant 500 ppm x20 có khả giảm lực cản ứng suất trượt lên đến 300 N/m2 Ảnh hưởng counterion lên khả giảm lực cản dung dịch surfactant quan sát Giảm lực cản dung dịch ống nano cacbon 5% với nước (VGCFX 0,5%) giảm lực cản khu vực ứng suất trượt lớn Các điều kiện thí nghiệm nống độ dung dịch ống nano cacbon với nước cần phải tiếp tục KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 93 cải thiện nghiên cứu để đạt khả giảm lực cản tốt * Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.032018.21 TÀI LIỆU THAM KHẢO E B Bagley, "End Corrections in the Capillary Flow of Polyethylene*" Journal of Applied Physics, Volume 8, Number 5, May 1957 J.L Zakin and J Myska, "New Limiting Drag Reduction and Velocity Profile Asymptotes for nonPolymeric Additives Systems", AIChE J., 42, 3544-3546 (1996) Abstract: INVESTIGATING AN ADDITIVE DRAG REDUCTION OF TURBULENT FLOW IN CAPILLARY TUBE Turbulent drag reduction of surfactant counterion combinations was experimentally investigated in a capillary tube with diameter of 0.9 mm The results showed that the drag reduction was existed in the surfactant counterion combinations The counterion concentration was influenced in the drag reduction ability of the combinations The surfactant counterion combination 500ppm x20 showed the drag reduction of 40% at the shear stress of 300 N/m2 In the experiment of capillary tube, the drag reduction of water-nanotube solution (VGCFX-0.5%) was not achieved in the high shear flow Its concentration and experimental conditions should be improved to get better in drag reduction Keywords: Drag reduction, Surfactant, Nano carbon, Energy saving Ngày nhận bài: 15/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 23/5/2019 94 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) ... quan hệ hệ số ma sát thành ống số Reynolds Hình thể mối quan hệ hệ số ma KẾT LUẬN Trong thí nghiệm khảo sát giảm lực cản ống capillary, dung dịch thí nghiệm cho kết giảm lực cản Dung dịch surfactant... giảm lực cản ứng suất trượt lên đến 300 N/m2 Ảnh hưởng counterion lên khả giảm lực cản dung dịch surfactant quan sát Giảm lực cản dung dịch ống nano cacbon 5% với nước (VGCFX 0,5%) giảm lực cản. .. Chênh lệch (giảm) áp suất khác chiều dài ống d: Đường kính ống L: Chiều dài ống V: Vận tốc dòng ống : Khối lượng riêng dung dịch thí nghiệm Hình Phần trăm giảm lực cản dung dịch ống capillary