Введение к работе
Актуальность темы. Исследования гидромеханики полимерных растворов малых концентраций получили в последнее время широкое распространение. Многие из наблюдаемых здесь явлений, заключающихся в том или ином воздействии добавок высокомолекулярных полимеров на потоки имеют большое практическое значение. Так, хорошо известный эффект Томса (снижение турбулентного трения малыми добавками высокополимеров или поверхностно-активных веществ) все чаще используется при трубопроводном транспорте нефтепродуктов и при тушении пожаров. Необходимо упомянуть и такие явления, как аномальная фильтрация полимерных растворов, находящая применение в практике повышения нефтеотдачи, а также эффект подавления капельного распада струй, предложенный к использованию в авиации и в вычислительной технике. Интерес для науки и практики представляет и обратная задача, заключающаяся в рассмотрении воздействия гидромеханического поля на полимерное вещество в растворе. В первую очередь это связано с проблемами технологии высокопрочных материалов на основе ориентированных полимеров.
Проведенные ранее исследования оставили без ответа многие вопросы, среди которых важным является вопрос о строении жидкостей с гидродинамически-активными добавками высокополимеров. В настоящее время для описания гидромеханики таких жидкостей обычно используются весьма грубые модели истинных полимерных растворов, где отсутствует перекрывание макромо-лекулярных клубков и слабы взаимодействия между ними. Полученные в рамках таких моделей теоретические результаты, как правило, противоречат данным экспериментов. Более того, использование вязкоупругих характеристик, определенных в рам- ' ках представлений о дисперсности макромолекул в растворах зачастую затрудняет интерпретацию самих экспериментальных данных, приводя к ошибочным результатам при решении основного вопроса о безразмерных параметрах подобия, определяющих ход того или иного гидродинамического явления.
- 4 ->
Цель работы. Настоящая работа посвящена изучению гидродинамических особенностей течений разбавленных полимерных растворов в связи с их надмолекулярным строением.
Задачи работы.
-
Экспериментальное исследование строения жидкостей с гидродинамически-активными полимерными добавками.
-
Изучение динамики надмолекулярных образований на базе экспериментального исследования локализованного двулучепре-ломления в элонгационных потоках растворов полимеров.
-
Экспериментальное исследование аномалий сопротивления при течении растворов полимеров в различных моделях пористых сред.
Научная новизна. Получены следующие основные результаты:
-
Экспериментально выявлена связь между упругими свойствами разбавленных растворов высокополимеров и надмолекулярными сеточными структурами, присущими таким растворам. Изучены основные черты строения жидкостей с гидродинамически-активными добавками полимеров.
-
Предложено новое объяснение явлению локализованного двулучепреломления в элонгационных потоках полимерных растворов и экспериментально определены критерии его возникновения.
-
Уяснены причины, ограничивающие использование течения в канале со скрещенными щелями для изучения динамики надмолекулярных структур и их взаимодействия с элонгационным полем. Обнаружено и изучено новое гидромеханическое явление, заключающееся в возникновении периодического трехмерного течения вследствие неустойчивости плоских встречных потоков в крестообразном канале.
-
Экспериментально показано, что возникновение аномалий сопротивления при течении жидкостей с полимерными добавками в пористых средах определяется числом Вейссенберга. Выявлено сильное влияние дисперсии размеров пористой среды.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные ре-дотаты свидетельствуют о том, что источником упругих свойств, , следовательно, и гидродинамической активности разбавленных элимерных растворов являются сеточные надмолекулярные струк-/ры. Этот вывод позволяет предложить новый подход к гидроме-шике жидкостей с малыми полимерными добавками. В рамках это-з подхода удалось найти критерии подобия, описывающие возник-)вение аномалий сопротивления при фильтрации. В свою очередь, гание этих критериев привело к разработке простой методики ш оценки потребного количества полимерных добавок в вытес-кощую жидкость. Это важно, поскольку использование таких до-1вок для повышения нефтеотдачи получило широкое распространив.
Определенный интерес для практики могут представлять ре-/льтаты экспериментов, где исследовалось возникновение лока-ізованного двулучепреломления в элонгационных потоках полисных растворов. Появление двулучепреломления свидетельству-: о начале активного растяжения полимерного вещества. Найден-іе вязкоупругие параметры подобия для начала растяжения отзывают возможность для более обоснованного расчета техноло-іческого оборудования, используемого для получения высокоори-ітированньїх полимерных материалов.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную іботу, докладывались на научных семинарах ШЩ РАН (І9Є7 -393 гг.), ХУ Всесоюзном симпозиуме по реологии (Одесса, 390 г.), ХУІ Симпозиуме "Реология-92" (Днепропетровск, 392 г.), а также на международной конференции "Нефтяная подимная гидромеханика - фундаментальные исследования и приложил" (Москва, 1992 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы работах /I - 5/.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 133 машинописных страницах, содержит 35 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 93 наименований. Главы 2, 3 и 5 предварены обзорами литературы по соответствующим проблемам.