第6卷第2期南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)Vol 6 No. 220064F6 JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY(ENGINEERING AND TECHNOLOGY) Jun, 200壓力下水煤漿流變特性的測量王秋粉,任遠(yuǎn),陳良勇,段鈺鋒(東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電和燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210096)[摘要]水煤漿是一種高濃度、高粘性、不透明的固液分散懸浮體系,表現(xiàn)出非牛頓流體的特性其流變特性十分復(fù)雜,迄今為止難以給出理論上的流變模型表達(dá)式水煤漿流變特性是研究水煤漿的穩(wěn)定性輸送的可泵性、流動(dòng)的阻力特性和霧化特性的前提和基礎(chǔ),詳細(xì)介紹了確定壓力下水煤漿流變特性的兩種試驗(yàn)方法:管流法和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法并對水煤漿輸送中產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象進(jìn)行了較深入的分析和討論,討論了滑移產(chǎn)生的原因及修正方法[關(guān)鍵詞]水煤漿流變特性,壓力測量滑移[中圖分類號(hào)]TQ53[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1672-1292(2006)0200305Measurement for the Rheological Behavior ofCoal Water Surry at Elevated PressureWANG Qiufen, REN Yuan, CHEN Liangyong, DUAN YufengKey Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technology of the Ministry of EducationSoutheast University, Nanjing 210096, ChinaAbstract: Coal water slurry(CWS)is solid-liquid suspended system with dense concentration, high viscosity and o-pacity, which features property of Non-Newtonian fluids. So far it is difficult to gain the rheological model in theorybecause of the complexity in its flows. The characterization study of rheological behavior in CWS is important for slur-ry stability, pumpability, flow resistance and atomization. Two experimental methods known as pipe-flow and rotation-al viscometer to determine the rheological behaviors of CWS are proposed. The slip phenomenon of Cws in pipe flowsKey words: coal water slurry, rheological behavior, pressure, measure, slippage0引言當(dāng)前石油供給的安全性使人們越來越多地關(guān)注煤轉(zhuǎn)化技術(shù),其中包括對水煤漿技術(shù)的研究水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑混合而成的固液兩相懸浮流體高濃度水煤漿的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地管道輸送是保證水煤漿高效應(yīng)用的前提水煤漿的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用取決于很多因素,包括漿的穩(wěn)定性,可泵性和霧化燃燒特性,而這些因素又反過來影響水煤漿的流變特性特別地,水煤漿的穩(wěn)定性由其低剪切速率下的流變性決定,可泵性取決于中等剪切速率下漿的粘度,霧化和燃燒特性則取決于高剪切速率下漿的粘度可見,流變特性的研究是確定水煤漿管內(nèi)其它流動(dòng)規(guī)律(如速度分布阻力損失計(jì)算等)的前提和基礎(chǔ)非牛頓流體的流變特性是研究剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變速率之間關(guān)系的規(guī)律,其分析表達(dá)式稱為流變模型或稱為本構(gòu)關(guān)系.由于水煤漿是一種寬篩分、高含固量的復(fù)雜多級(jí)分散懸浮體系,影響其流變特性的因素十分復(fù)雜,往往同煤的化學(xué)性質(zhì)特別是灰分和煤化程度、煤顆粒的粒度分布及形狀煤粒之間的相互作用溫度和濃度等因素有關(guān)23.另外,真實(shí)流變模型還受入口效應(yīng)和滑移作用的影響從水煤漿管內(nèi)輸送收稿日期:2005-11-2基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2004cB217701)作者簡介:王秋粉(1982-),女,碩士研究生,主要從事煤的潔凈燃燒與氣化等方面的學(xué)習(xí)和研究Emal; gwang1982@163.cm通訊聯(lián)系人:段鈺鋒(1963-),教授博士生導(dǎo)師,主要從事煤的潔凈燃燒及污染物的控制等方面的教學(xué)與研究南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)第6卷第2期(2006年的研究進(jìn)展來看,世界各國都將水煤漿流變模型的確定作為研究的主要內(nèi)容之般文獻(xiàn)都普遍認(rèn)為水煤漿是不可壓縮的,因而都未考慮壓力對水煤漿流變特性的影響 GARRAT G等和 ATSUSHI TSUTSUM3等雖分別研究了高溫高壓下旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法和管流法的流變特性,但都沒有具體地分析壓力對水煤漿流變特性的影響為了發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù),有必要確定高壓下水煤漿的真實(shí)流變模型,為氣流床煤氣化的規(guī)?；头糯蠡瘧?yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù).為此,本文研究內(nèi)容成為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的子課題“高濃度漿態(tài)非牛頓流體的流動(dòng)特性和均配規(guī)律研究的一部分,對高濃度水煤漿在壓力下的流變特性進(jìn)行了綜合分析和討論1流變模型流變特性的研究通常有兩種方法:一是從微觀角度出發(fā),即從懸浮液各部分的性質(zhì)以及它們之間的相互作用,通過理論分析來建立關(guān)聯(lián)式;二是著眼于懸浮液的宏觀流動(dòng)行為,即通過實(shí)驗(yàn)來觀察懸浮液的流變特性,提出包含幾個(gè)參數(shù)的流變模型然后利用流變學(xué)的知識(shí),通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定這些參數(shù)由于液固兩相高濃度水煤漿組成的復(fù)雜性,目前還無法從機(jī)理上探討流變特性的本構(gòu)方程許多研究者對水煤漿流變特性的研究,通常是采用第二種方法,借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由剪切應(yīng)力的變化或某些與剪切速率相對應(yīng)的“表觀粘度”的變化曲線得出流變模型大量實(shí)驗(yàn)表明,水煤漿幾乎包括了非牛頓流體的各種類型,且存在明顯的結(jié)構(gòu)化特征,即存在屈服應(yīng)力在較低剪切速率和較高的剪切速率下水煤漿呈現(xiàn)出牛頓流體特性,而在中等剪切速率下呈現(xiàn)假塑性體特性,只有極少的水煤漿呈現(xiàn)出脹流性流體特性此外,有的還具有較大的觸變性和粘彈性°目前,常采用的流變模型有以下幾種牛頓體:r=py;冪率體:r=ky;n<1,偽塑性體;n>1膨脹體;賓漢體;r=+y;屈服冪率體r=r,+ky;n<1,有屈服應(yīng)力的偽塑性體;n>1,有屈服應(yīng)力的膨脹體;式中μ是粘度;k是流動(dòng)相容系數(shù)(又叫稠度系數(shù)以上模型簡單,直觀,可以直接反映剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變之間的關(guān)系,為進(jìn)一步的研究提供了一定的基礎(chǔ),但它的主要缺陷在于沒有考慮固相顆粒分布以及固相顆粒間的相互作用對懸浮體流變性的影響2測量方法利用流體力學(xué)的原理進(jìn)行流變參數(shù)的測量,一般地說,是在一定的條件下,通過對試樣施加切應(yīng)力(或變形)跟蹤受力后的響應(yīng)(或應(yīng)力)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系而得到測定的方法可以大體分為兩種類型:(1)利用圓柱、圓錐或圓盤的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)測量流體的剪切應(yīng)力和速度梯度的關(guān)系,這就是旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法.主要測量參數(shù)是粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度』和轉(zhuǎn)子所受阻力矩M.但是,旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)價(jià)格昂貴,容易損壞,且剪切速率變化范圍小(2)根據(jù)流體在直管段內(nèi)流量和壓力降的關(guān)系求出其粘度和剪切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系,這屬于間接的測量方法,也稱管流法如常用的管道流動(dòng)阻力法,毛細(xì)管粘度計(jì)等.對水煤漿來說,過細(xì)管道中的測量將是十分困難的,因此工程上常用較粗的工程管道流阻測量來推算,主要測量參數(shù)是測量段上的壓力降ΔP和水煤漿的流量Q2.1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法以往很多實(shí)驗(yàn)室的流變特性測量都是采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法,如在國外大多使用 Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和hake旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)確定流變模型,而國內(nèi)基本上使用的是國產(chǎn)的NDJ-1型和NXs-ll型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),這幾種粘度計(jì)的工作原理基本相同,均為雙圓筒結(jié)構(gòu)測量時(shí)的假設(shè)條件如下:(1)外筒固定,內(nèi)筒以等角速度旋轉(zhuǎn);(2)兩筒無限長;(3)圓筒表面無滑移;(4)在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面上,流動(dòng)的流線是圓,即速度僅是半徑的函數(shù),徑向和周向的速度為零;(5)運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)態(tài)的,即連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程的時(shí)間導(dǎo)數(shù)均為零;(6)系統(tǒng)恒溫.旋轉(zhuǎn)粘度讠模型的公式為王秋粉,等:壓力下水煤漿流變特性的測量-I2)M式中,r2和r1分別為粘度計(jì)內(nèi)外筒半徑;h為工作高度;M為轉(zhuǎn)矩;2為旋轉(zhuǎn)角速度,測定M和后,就可以根據(jù)上式進(jìn)一步回歸出本構(gòu)方程旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)操作簡單,測量結(jié)果可直接讀出,使用的樣品少,但是其剪切速率變化范圍較小,如Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的范圍為0-100s-1,NXS11型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的范圍是1.23-996s1,而且旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在小剪切速率下還易出現(xiàn)“柱塞流”和滑移現(xiàn)象.常用的粘度測量系統(tǒng)是在常壓、非密封條件下進(jìn)行粘度測試的.為了測量高壓條件下水煤漿的流變特性,需要用高壓流變儀或者對一般的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行改造,即在一般的同軸圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的外圍加裝一個(gè)壓力腔,實(shí)現(xiàn)高粘稠物料的封閉加壓條件,從而完成物料加壓流變特性的測量392.2管流法管流法測量壓力下流體的流變特性需要在加壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,其高壓條件是通過提高輸送泵的壓力來實(shí)現(xiàn)的流體在管道內(nèi)做恒定剪切流動(dòng),可實(shí)測其壓降和流量,并推算剪切應(yīng)力和剪應(yīng)變速率的關(guān)系,確定流變特性流體在管道內(nèi)的流動(dòng)通常作如下假設(shè)(1)粘性層流;(2)穩(wěn)定流動(dòng);(3)均勻流動(dòng);(4)沿管壁無滑移利用管流法確定流變模型的計(jì)算公式為D△Pyw =/(Tw)=-/du8W(1+3n=4Q(1+3n式中,為壁面處剪切應(yīng)力;yv為壁面處剪切速率;L為測試段長度,D為管道直徑測定Q和△P后根據(jù)上式即可繪出r-y曲線,回歸擬合即可得到流變模型管流法的特點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)較簡單,可在較高壓力下操作,剪切速率可在較大范圍內(nèi)變化,因此更接近于實(shí)際流動(dòng)過程,測量結(jié)果比旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法更適于工程應(yīng)用另外還有學(xué)者提出了用毛細(xì)管粘度計(jì)確定流變模型毛細(xì)管粘度計(jì)是測量牛頓流體粘度的通用儀器,使用簡單,測量準(zhǔn)確但應(yīng)用于非牛頓流體時(shí),由于入口效應(yīng)和滑移的影響,給實(shí)際測量帶來了很多不便清華大學(xué)和唐山管道研究所都曾作過毛細(xì)管粘度計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究,均沒取得理想結(jié)果.劉寶林和孔瓏12設(shè)計(jì)了水煤漿用改型的毛細(xì)管粘度計(jì),解決了水煤漿的穩(wěn)定狀態(tài)問題、測壓裝置問題、準(zhǔn)確地測量水煤漿流變模型問題. ATSUSHI TSUTSUM和 KUNIO YOSHIDA5也成功的用毛細(xì)管粘度計(jì)進(jìn)行了高溫高壓下水煤漿流變特性的研究.3滑移現(xiàn)象滑移現(xiàn)象是煤水混合物類液固兩相流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一種特殊流動(dòng)現(xiàn)象.自從1931年MO-NEY1提出關(guān)于滑移的問題以來,許多學(xué)者相繼對滑移進(jìn)行了研究, GARNET和 NISSAN、 MALONE、MELZNER對高分子溶液、乳膠液和固體懸浮液在應(yīng)力不均勻流場中的行為進(jìn)行理論研究表明,在筒壁或管壁處出現(xiàn)異常流動(dòng)行為,目前對壁面“滑移”的解釋說法不一.一種說法認(rèn)為,由于近壁處粒子的排列在幾何上不可能與其主體中排列的方式相同,因而產(chǎn)生了滑移現(xiàn)象;另一種說法是,粒子從高剪切速率區(qū)域至低剪切速率區(qū)域的遷移所引起;還有一種說法是粒子的流體動(dòng)力學(xué)再分布普遍認(rèn)為壁面滑移產(chǎn)生的機(jī)理是當(dāng)介質(zhì)受到不均勻剪切時(shí)顆粒趨向于由高剪切區(qū)域向低剪切區(qū)域遷移,在徑向產(chǎn)生組分濃度梯度3.文獻(xiàn)[6]研究了顆粒一流體兩相流中顆粒團(tuán)聚存在的臨界條件,提出了顆粒一流體兩相流中主要存在著流體和顆粒及顆粒和顆粒間的兩種相互作用,當(dāng)這兩種力平衡時(shí),不會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚,顆粒濃度處處均勻,不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象;當(dāng)流體-顆粒的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒-顆粒間的相互作用時(shí)果顆粒濃度較大,則可能在近壁面處出現(xiàn)顆粒濃度很低的薄層,從而導(dǎo)致滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)表現(xiàn)為流體南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)第6卷第2期(2006年)在流動(dòng)過程中,與它所接觸的固體壁面處形成一層溶劑層,流體與壁面發(fā)生相對滑動(dòng),在壁面處出現(xiàn)速度的跳躍在壁面附近流體的速度可視為不連續(xù),即流體在壁面處出現(xiàn)一個(gè)“滑移速度”滑移層是控制管內(nèi)壓降損失的主要因素而滑移層的性質(zhì)隨管徑尺寸和管材的變化而變化同樣的水煤漿在不同管徑的管道內(nèi)所測得的流變模型不一致這種不一致性正是由于水煤漿的滑移所引起的附加流量的程度不同所造成的所以滑移現(xiàn)象的存在無疑會(huì)對非牛頓流體流變模型的確定及其管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律的研究帶來一定的影響,因此,為確定水煤漿的真實(shí)流變模型,探索水煤漿管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律,有必要進(jìn)一步深入研究水煤漿管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生滑移流動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理及如何修正滑移現(xiàn)象對水煤漿管內(nèi)流動(dòng)特性的影響等一系列問題.為了得到正確的流變模型,需要消除滑移的影響滑移的消除一般從兩個(gè)方面進(jìn)行,一是通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器,例如用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測高粘度漿體的流變特性時(shí),用十字形葉頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的圓柱形測量元件,或在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的內(nèi)筒上開凹槽,來解決測定過程中圓柱形測量元件易“打滑”等問題;二是通過理論分析對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正由于滑移的存在,水煤漿管內(nèi)流動(dòng)的實(shí)際流量Q應(yīng)是無滑移流動(dòng)時(shí)的流量Qc與存在滑移引起的附加流量Q、之和即Q=Qc+Q在管道流動(dòng)中有:Qc=mRT2JoA7)rdr由于滑移層的厚度很薄,可認(rèn)為δ→0,所以:Q5=mR2Us據(jù)文獻(xiàn)9,滑移速度不僅與壁面剪切應(yīng)力有關(guān)而且還是管徑的函數(shù),即:U5=Br/R其中B為滑移系數(shù),且B僅是7的函數(shù),與半徑R無關(guān)綜上可得:Q=B+1[r3fr)drmRr。R2xo因此在給定的下,讓Q對作圖,所得直線的斜率就是,進(jìn)而就可計(jì)算出滑移引起的附加流量和無滑移流量Q,根據(jù)無滑移流量Qc即可求得真實(shí)的剪切速率4結(jié)論本文根據(jù)非牛頓流體流動(dòng)理論,介紹了兩種測量壓力下水煤漿流變特性的方法:旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法和管流法,這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),可以將兩種方法結(jié)合應(yīng)用,得到壓力下水煤漿的流變特性參數(shù)對水煤漿的流變特性雖然已進(jìn)行了大量的研究工作,取得了很多有意義的成果,也推動(dòng)了水煤漿技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,但是由于水煤漿本身的性質(zhì)比較復(fù)雜,目前很多理論還不夠成熟.另外由于這些基礎(chǔ)研究基本上都是在常壓下進(jìn)行的,對水煤漿高壓條件下的很多特性還沒做過深入的研究和驗(yàn)證,為了發(fā)展大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù),就有必要從理論上進(jìn)一步深入研究由于水煤漿兩相懸浮液流動(dòng)的復(fù)雜性,目前對其滑移產(chǎn)生的機(jī)理還沒有統(tǒng)一的定論因此有必要深入研究滑移產(chǎn)生的機(jī)理及如何修正滑移對水煤漿流動(dòng)產(chǎn)生的影響等問題,最終確定有滑移修正的水煤漿流變模型,用于工程放大化設(shè)計(jì)和計(jì)算[參考文獻(xiàn)]( References)1] SHIRLEY C TSAL, EVERETT W KNELL. 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