在水中添加少量的阳离子表面活性剂可以降低湍流流体的流动阻力,进而降低循环系统中泵的功耗。近年来,对表面活性剂减阻流体在区域供热/冷系统中的应用成为人们关心的热点问题,然而对添加剂表面活性剂减阻流体的减阻机理仍不明确,对表面活性剂减阻流体的传热特性研究也甚少。本文以研究表面活性剂减阻流体的减阻机理和传热特性为目标,用氯化十六烷基三甲基季铵盐(cetyltrimethyl ammonium chloride,CTAC)阳离子表面活性剂作添加剂,制定了详细的表面活性剂流体湍流实验和数值模拟方案。本文研究主要包括:表面活性剂CTAC减阻流体减阻性能实验研究;表面活性剂CTAC减阻流体湍流流场结构和湍动能结构实验研究;表面活性剂CTAC蒸馏水溶液流变实验研究;描述表面活性剂减阻流体剪切稀化特性对减阻作用的纯粘性剪切稀化模型计算研究;描述表面活性剂减阻流体粘弹性对减阻作用的Giesekus粘弹性直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)研究;表面活性剂减阻流体传热实验研究。对表面活性剂CTAC减阻流体减阻性能进行实验研究表明,第一临界雷诺数随表面活性剂浓度的增大而增大,完全减阻区内CTAC减阻流体减阻存在一个最佳浓度。用相位多普勒非接触式测量技术对CTAC减阻流体充分发展湍流流场特性进行实验研究,观测到表面活性剂减阻流体湍流流场结构和湍动能结构都发生了改变。具体表现为表面活性剂CTAC减阻流体过渡层明显增厚,对数区曲线向上偏移;轴向湍流强度峰值比水大,出现峰值的位置向流道中心处偏移;表面活性剂CTAC减阻流体雷诺剪切应力出现亏空(Reynolds stress deficit),说明由添加剂产生的附加表面活性剂剪切应力在总的平均剪切应力中起到重要作用;表面活性剂CTAC流体湍动能产生项则被整体抑制,且曲线峰值向流道中心处偏移,添加剂CTAC的加入导致湍动能结构的显著改变。用AR-G2控制应力流变仪对六种浓度的表面活性剂蒸馏水溶液进行了流变实验研究。通过流变实验分析,本文发现出现剪切诱导结构(shear induced structure,SIS)的表面活性剂溶液存在临界浓度。表面活性剂溶液中的剪切诱导结构(SIS)并不是添加剂表面活性剂减阻流体出现减阻必要条件。工业应用上表面活性剂减阻存在一个最佳浓度。剪切稀化特性是表面活性剂溶液流变性的一个重要特征。用纯粘性剪切稀化Carreau-Bird模型对减阻溶液中剪切稀化特性对减阻的作用进行模拟。计算显示出比PDA实验小的减阻率,但澄清了高浓度减阻流体湍流强度整体被抑制,较低浓度却是发生了改变的这一现象。用Giesekus粘弹性非牛顿流体本构方程对减阻流体中的粘弹性特性对减阻的作用进行直接数值模拟( direct numerical simulation,DNS)。计算显示出与PDA实验接近的减阻率,说明计算浓度范围内的减阻流体中粘弹性对减阻起到了主导作用。直接数值模拟出的减阻流体瞬时速度脉动图清楚地显示,添加剂减阻流体近壁处猝发明显降低,瞬时脉动涡结构整体被拉伸,近壁处涡结构显示有从右向左流动的流体,减阻流体湍流流场中存在低速拉伸的轴向条纹速度带,且间距比牛顿流体的大。同时减阻流体湍动能结构与水相比也完全发生了改变。基于减阻实验与数值计算,建立了减阻流体减阻机理模型。表面活性剂减阻流体传热性能实验说明,单位体积的减阻流体温度升高1℃所需的热量比单位体积的水温度升高1℃所需的热量大。CTAC减阻流体的平均温度分布曲线显示,减阻流体的主要热阻发生在过渡层,粘性底层却显示很小的热阻发生,而水的主要热阻是发生在粘性底层。CTAC减阻流体的温度脉动频率比水小,且随着y+的改变而有所不同。CTAC减阻流体温度脉动与速度脉动有相似的分布趋势,其峰值都向流道中心处偏移。CTAC热流体湍流温度脉动强度对轴向热流量的贡献更大,使得轴向热流量的最大值出现在靠近温度脉动强度最大值出现的位置。CTAC减阻流体温度脉动与壁面垂直方向速度脉动相关性降低,使得CTAC减阻流体的轴向湍流热流量小于水的,产生传热下降率(heat transfer reduction,HTR)。类似于,添加剂表面活性剂导致减阻流体的轴向速度脉动和壁面垂直方向速度脉动相关性降低,显示为减阻流体的雷诺剪切应力小于水的,产生减阻率(drag-reduction,DR)。