第38卷第9期哈爾濱工業(yè)大學學報2006年9月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY城市原生污水冷熱源污水黏度特性實驗測試吳榮華,張成虎,孫德興(哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,哈爾濱150090,Eml:shaul22@126.com)摘要:城市原生污水的黏度特性是其作為冷熱源應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù),將污水流動視為均質(zhì)非牛頓冪律流,基于管式流變儀實驗基礎(chǔ),分析層流條件時表觀黏度的本構(gòu)常數(shù)實驗求解式,在素流條件下基于卡門對數(shù)分布與尼古拉茲實驗,推導平均流速、阻力速度與黏度項的關(guān)聯(lián)式及其計算公式,定義特征黏度與計算雷諾數(shù)在兩種不同流態(tài)下測試污水的表觀黏度η=22~80×10(d/dy)0,兩種流態(tài)下表觀黏度表現(xiàn)出定的差異關(guān)鍵詞:城市原生污水;非牛頓流;表觀黏度;特征黏度中圖分類號:TU831.6文獻標識碼:A文章編號:0367-6234(200)09-1492-04Test on the viscosity of the urban original wastewateras a cool and heat sourceWU Rong-hua, ZHANG Cheng hu, SUN De-xingE-mail:shwul22@126.com)Abstract: The viscosity of the urban original wastewater is a key parameter of heat exchange when it using ascool& heat source. Using the tube rheometer as the experiment basis, treats the sewage as non-Newtonian ex-onential homogeneous fluid, and analyzes the viscosity's special relationship in laminar flow.Based onKarman logarithm distribution and Nikuradse experiment, the associated formula about the average velocityresistance velocity and viscosity is obtained, and the characteristic viscosity and characteristic Reynolds ruleare defined. n 2.2-8.0 x 10(du/dy) from the two different states were tested, which have somedifferences. The complicated mixture in the wastewater influenced the viscosity observably, and the originalwastewater shows the shear densenes characteristicKey words: urban wastewater; non-Newtonian; apparent viscosity; characteristic viscosity城市原生污水是一種可再生性資源,包括污特性一般的黏度測試儀均是在層流條件下測水污泥回用和污水熱能資源化為建筑物供暖空試,由于污水中固相污物的沉積掛壁影響,并調(diào)12.但城市污水含有大量物理化學污物3,流不能真實反映實際管內(nèi)紊流的黏滯特性,而污水動與換熱特性較清水有顯著差異,而現(xiàn)有的城市熱能資源化應(yīng)用尚處于初期階段,對此并未有深污水水質(zhì)參數(shù)僅表現(xiàn)在水中的成分特點相關(guān)的研究,且基于紊流時的黏度測試也很少見,因流動及熱物性參數(shù)缺乏,系統(tǒng)設(shè)計與運行工況存此,研究用管式流變儀測試紊流時的表觀黏度,與在很多不確定因素工程應(yīng)用的實際情況相同,所得結(jié)果對工程設(shè)計城市污水的熱物性與流動參數(shù)最關(guān)鍵的是污具有實用價值水的黏度特性6.除溶解性化學污物外,大量小尺度污物的存在使得污水表現(xiàn)出很強的非牛頓流1表觀黏度與實驗系統(tǒng)收稿日期:2004-12-031.1表觀黏度基金項目:黑龍江省科技攻關(guān)項目(04GCZ1474)對牛頓流體,黏度η為常數(shù)摩擦切應(yīng)力表示第9期吳榮華,等:城市原生污水冷熱源污水黏度特性實驗測試1493T ndu/dy(1)du對非流頓冪律型流體,摩擦切應(yīng)力為drdu令B=2k az(42÷)°,則出=-則黏度式可表示為直接積分可得到a=-B·n,rn+C當n=1時,式(1)(2)相同,當n>1時為當=R時,n=0,可得C=nBP剪切稠化流體n<1時為剪切稀化流體.實于是有驗測試內(nèi)容即為本構(gòu)常數(shù)k、n值確定,(R+1.2實驗系統(tǒng)測試采用自制的管式流變儀系統(tǒng)見圖測得的平均流速,un=WtA.對式(3)積分BC段為紊流測試段,Lg、Lc>70mmx得平均流速為30(入口端影響),Lgc=6m.流量采用體積法測丌R2u·2mdr-(R試標準體積桶(0.054m3)加秒表.BC段為層流測試段,LAB、Lcp>20mm×30(人口端影響),LpcnBR(4)=4m流量采用體積法測試,標準體積桶(0.01m3)加秒表將B=(1·42)代入式(4)中,得到v nBR+n溢流管(5)控制閥2由式(5)可得A'BDN70流量測口t4=3n+1.(2控制閥1AB污水泵A·+ onst=D(6)即有t·Δp= const(或t·△H=cons)圖1黏度測試流程圖高位水箱內(nèi)滿水位,控制閥1、2為流量控制根據(jù)實測的t和4p數(shù)據(jù),可得出污水的流變閥控制管內(nèi)流速污水中不含大尺度污雜物均物性常數(shù)n,將得到的D,n代入式(6)中可得在5mm以內(nèi)該系統(tǒng)用清水進行實驗較合適時所的結(jié)果誤差在5%以內(nèi),具有一定的準確性k=13n+1R(7)2層流測試原理與常數(shù)關(guān)系式3層流測試原理與常數(shù)關(guān)系式非牛頓流與牛頓流的成熟發(fā)展層流管流,均有森流黏性區(qū)有x=(出),則有= const,且apduy +c切應(yīng)力變化規(guī)律為當y=0時,=0,代人,則c=0,故有(8)設(shè)實驗測量時有:流體體積(標準桶),V(m3);管道截面積,A(m2);管道半徑,R(m);管主流區(qū)域按混合長度理論有r。=道長度,L(m);流滿時間,t(s)設(shè)污水為非牛頓冪律流,則有n(則·則有r=4(出)=-(m2,2y +c(9)1494哈爾濱工業(yè)大學學報第38卷流速為度η,均為非常數(shù)廣義雷諾數(shù)Re’實際是由有效(10)黏度定義的由于黏性力只在流動邊界層起作用,而非牛由式(9)有頓流黏度均與速度梯度有關(guān),在層流邊界層速度ub =In8+Cu(11)梯度不變,因此定義層流邊界層黏度為特征黏度T,相應(yīng)雷諾數(shù)Re”為特征雷諾數(shù)由式(10)、(11)聯(lián)立得邊界層速度梯度為(12)du(17)則特征黏度T為將式(12)代入式(9)式中有7./p=k/duj"-1(18)將式(17)及壁面切應(yīng)力與流速關(guān)系帶入式(K(18),有則特征雷諾數(shù)可表示為=11n+C2,(13)Ba=ed、d/A-In用特征雷諾數(shù)來表征流動阻力特性時,與牛式(13)與卡門對數(shù)分布具有完全相同形式,頓流體具有完全相同的阻力特性形式但Re"與一定條件下,流速分布僅與壁面切應(yīng)力有關(guān)這里阻力系數(shù)有關(guān),因此,定義計算雷諾數(shù)Re",即按尼古拉茲實驗取B=0.4,c2=5.5:1,可理Re=d u論證實是正確的對式(13)求平均流速有由非牛頓冪律流的穩(wěn)定性值推導得:當Re"(14)≤215、Re"≤1640時,為層流由式(14)可得5測試數(shù)據(jù)與計算分析⊥51在層流條件下k,n值在層流條件下分別測得Ap與t,見表1.將表1中的數(shù)據(jù)組代入到式(6)、(7)得即有l(wèi)n則k=2.2x101.6.其中Re“≤215、Re”≤1640,為層流ke (InR+E)(15)表1層流條件下測試數(shù)據(jù)V=0.01m3,測試與計算參數(shù)18216(in R式(15)、(16)中,k,n值相互關(guān)聯(lián),因此,至少需1413140413271317120要兩組以上的實驗數(shù)據(jù)分別帶入后聯(lián)合求解.52紊流條件下k,n值4特征黏度與特征雷諾數(shù)在紊流條件下測得數(shù)據(jù)組見表2由于有r.=(望)B,代入到式(5)、(6第9期吳榮華,等:城市原生污水冷熱源污水黏度特性實驗測試1495中,解得傳熱設(shè)計將遠離實際情況k=8.0×104,n=1.64)實驗測得污水的切應(yīng)力本構(gòu)方程為r=其中215≤Re"、1640≤Re"為紊流表2紊流條件下測試數(shù)據(jù)80×101(+),該持性與傳熱特性的實驗研究V=0.054m3,測試與計算參數(shù)結(jié)果吻合△p/Pa16750865036001350670參考文獻5.17.111.117.925.83.072.201.420.870.60[1]龍惟定、試論我國暖通空調(diào)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[冂].暖42003800340030502740通空調(diào),2003,29(3):23-25[2]趙慶波單葆國.世界能源需求現(xiàn)狀與展望[J].中國5.3測試結(jié)果分析能源,2002,18(2):18-211)在層流條件下,k=2.2×10-,n=1.6;[3]周彤編.污水回用決策與技術(shù)[M]北京:化學工業(yè)紊流條件下,k=80×104,n=16,兩種結(jié)果出版社,2002表現(xiàn)在k值差異,因為污水中含有大量顆粒狀雜[4] WALKER S. Energy form waste in the sewage treatment物,紊流條件下進行了大量參混,而層流則出現(xiàn)沉process[ A]. IEE Conference[ C]. [s. 1.]:[s. n.]積顆粒物的影響顯而易見,由于工程設(shè)計為紊流條件下?lián)Q熱取k=8.0×10-4可靠[5]STIEMSTROM B. Feeding large heating pumps form2)從表1、2中數(shù)據(jù)不難看出,Re"數(shù)隨流速變sewage water treatment plants[J]. Proceedings of the Intemational Conference on Applications and Efficiency of化遲緩,流速由0.6m/s至3m/s時,Re"數(shù)由Heat Pump Systems, 1991(3): 183-1922740變化到4200,充分顯示了污水流動的特殊6]劉大有.關(guān)于兩相流、多項流多流體模型和非牛頓性在傳熱特性實驗研究中,實測污水側(cè)對流換熱流等概念的探討[J].力學進展,1994,24(1):66-74系數(shù)隨流速變化緩慢,與Re"數(shù)隨流速變化不大[7]王光謙.固液兩相流基本理論及其最新應(yīng)用[M]是相符的北京:科學出版社,1992[8](日)川田裕郎,著.黏度[M].陳惠刊,譯.北京:中6結(jié)論國計量出版社,19911)將城市污水視為均質(zhì)流體將污雜物的存9沈崇棠劉鶴年非流頓流體力學及其應(yīng)用[M]北在歸結(jié)到流動參數(shù)的變化中,主要體現(xiàn)在黏度特京:高等教育出版社,1999性,流動與換熱問題可由單項非牛頓流模型描述[10]張維佳.冪律型非流頓流體本構(gòu)常數(shù)的測量精度問題[J]計量學報,1994,15(2):352)城市污水中含有大量顆粒物按單項非牛(張維佳潘大林工程流體力學(M]哈爾濱:黑龍江頓流處理時,只能在紊流條件下測試黏度特性.科學技術(shù)出版社,20013)實測結(jié)果表明,污水黏度與清水有很大差[12]屠大燕.流體力學泵與風機[M]北京:建筑工業(yè)出異除表現(xiàn)非牛頓特性外,由于n=1.6,偏離牛版社,1994(編輯劉彤)頓流體很強,因此,以清水特性參數(shù)作對比流動(上接第1486頁)[12] SUJAYA I N, AMACHI S, YOKOTA A, et al. Identind Microbial Technology, 1997, 20: 301-307.fication and characterization of lactic acid bacteria in [16JIYER P V, LEE Y Y. Product inhibition in simultane-ragi tape [J]. 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