摘要：本文通過管流法實驗，研究了較高流速條件下的水煤漿管道流動的流變特性，對較高流速下的水煤漿的流變特性進行分析和討論。

關(guān)鍵詞：水煤漿；流變特性；滑移特性；較高流速

引言

水煤漿具有液體一樣的流動性和穩(wěn)定性，被稱為液態(tài)煤炭產(chǎn)品。使用水煤漿替代燃油和燃氣是理想方案。水煤漿的流變特性主要研究流體的剪切應(yīng)力和剪切速率之間關(guān)系的規(guī)律，它是研究非流體力學(xué)流動規(guī)律的基礎(chǔ)。本次實驗旨在研究水煤漿在較高流速下管道輸送過程中的流變特性、滑移特性及參數(shù)變化規(guī)律，獲得較大雷諾數(shù)下的水煤漿流變特性和流動特性。為水煤漿輸送和管路設(shè)計提供一定的理論和實驗依據(jù)，為工程應(yīng)用提供設(shè)計參數(shù)。

1）管流法的原理及流變模型

管流法測量流體的流變模型時，流體在管道內(nèi)做恒定剪切流動，通過測量流體流經(jīng)管道內(nèi)的體積流量及一段管長L上相應(yīng)的壓降ΔP，它們通過一定的轉(zhuǎn)換都能間接地提供流體的剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。

用管流法原理測量水煤漿的流變特性時，認為水煤漿是不可壓縮的流體，并對其在管道內(nèi)的流動作如下假設(shè)：粘性層流、穩(wěn)定流動、均勻流動、沿管壁無滑移。

在上述假設(shè)下，設(shè)水平圓管的內(nèi)徑為D，流體在管內(nèi)流動的體積流量為Qc，在管長L上產(chǎn)生的流體壓降為ΔP，對流體層流流動方程式如下：ΔP=4τwLDτr=rRτwγw=4QcπR31+3n′4n′

三式即可確定流體的流變模型[2]。

2）水煤漿的級配

試驗煤種為神華煤，顆粒真實密度為1.365g/cm3，煤粉經(jīng)過標準篩篩分，三種顆粒的平均粒徑分別為52μm、156μm和266μm。所有漿體均由煤粉、自來水和添加劑（由南京大學(xué)水煤漿國家工程研究中心提供）在儲罐中經(jīng)過充分攪拌混合而成。當漿體固相體積分數(shù)改變時，均采用新制備的漿體。所有制備的漿體中添加劑的量均采用添加劑（kg）/煤粉（kg）保持在相同水平。采用雙峰分布顆粒制漿，小顆粒能夠進入到大顆粒無法進入的空隙，小顆粒在這空隙中充當了“潤滑”的作用，從而能夠有效地降低漿體的黏度，增加漿體的最大體積分數(shù)。經(jīng)實驗驗證。當小顆粒體積分數(shù)為35%時，體積濃度分別為46.4%和49.1%的漿體黏度最小。

3、水煤漿流變特性實驗

3.1試驗樣品

采用神華煤按照第三章獲得的最佳配比進行配漿，分批加入煤粉、水以及添加劑，攪拌器不停攪拌，共制備了兩種不同濃度的水煤漿進行比較，共制備了兩種不同濃度的水煤漿進行比較質(zhì)量濃度分別為：56.484 %、54.9376 % 。

3.2試驗流程

開啟攪拌機，對漿體進行攪拌→開啟電腦采樣器→開啟螺桿泵，使?jié){體進行循環(huán)流動→改變螺桿泵轉(zhuǎn)速進行采樣→通過調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速改變漿體流速，當壓力穩(wěn)定后進行測量→實驗完畢關(guān)閉設(shè)備。

4、流變特性結(jié)果與分析

通過改變螺桿泵的轉(zhuǎn)速改變循環(huán)系統(tǒng)中的漿體流量，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔0.02秒采集一次數(shù)據(jù)，根據(jù)管流法處理數(shù)據(jù)，擬合流變模型，經(jīng)處理得到如下曲線：

圖4.1SH5648%壓降隨流量變化關(guān)系曲線圖4.2SH5493%壓降隨流量變化關(guān)系曲線

在水煤漿的流變參數(shù)中，表觀粘度是較重要的一個。它是流體受到剪切力作用時抵抗變形的特性，它直接影響水煤漿在管道內(nèi)流動時壓力損失的大小，從圖4.1和圖4.2中可以看出，隨著流速的增加，兩種濃度的水煤漿阻力損失迅速地增加，而且濃度越高壓力損失就越大。在相同的剪切速率下，隨著固相濃度的增加，水煤漿的表觀粘度表現(xiàn)出增加的趨勢。這是因為隨濃度增加，漿體間空隙率下降，固相顆粒更加緊密，顆粒流動不僅要克服流體和顆粒間產(chǎn)生的較大摩擦，而且還要克服顆粒間的相互作用力，使得流動的表觀粘度增大。

通過圖4.3和圖4.4可以知道兩種濃度的漿體屬于屈服冪率體模型，可以看出兩種漿體都呈現(xiàn)出不同程度的膨脹特性。漿體呈現(xiàn)膨脹特性將會導(dǎo)致漿體剪切變稠，使得黏度隨著剪切速度的增加而增加，可以明顯看出，漿體的表觀黏度隨著流速的增加而增加。主要是因為在制備這些煤漿時，加入了過多的細粉，致使在接下來的超細化處理過程中，雙方經(jīng)過多次攪動摩擦，使得煤的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，原本凹凸不平的煤變得光滑扁平，最終讓煤的表面積逐漸擴大，煤的表面張力和疏水性也有相當程度的提高。在制造水煤漿的過程里，使用了分散劑，讓煤與煤之間的粘合性降低，這些超細的煤粉在運動過程中逐漸形成了結(jié)構(gòu)較為緊密的水化膜。當顆粒間距達到一定值時原有包在顆粒表面的水化膜首先在顆粒表面突出部分兼并或破裂， 發(fā)生顆粒間的聚集， 逐漸形成了大片的平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

5、結(jié)論

較高流速下，相同剪切速率下，水煤漿的表觀粘度隨著濃度的增加而增加。這主要是由于濃度升高，漿體間的空隙率下降，顆粒更加靠近，顆粒流動不僅要克服流體與顆粒間產(chǎn)生的較大摩擦，而且要克服粒子間強烈的相互作用，從而導(dǎo)致流體阻力的增加。在較高流速下的水煤漿隨著流量的增加而壓差逐漸增大，而且增大的速率要比較低流速狀態(tài)下的水煤漿壓損的速率要大得多，這是由于層流狀態(tài)下流速穩(wěn)定，壓損用于克服顆粒間的粘性力，而湍流狀態(tài)下慣性力對流場的影響大于黏滯力，流體流動較不穩(wěn)定進而壓損消耗較大。（作者單位：大唐長春第二熱電有限責任公司）

參考文獻：

[1]任遠等，高濃度水煤漿流動和阻力特性試驗研究[J].

[2]董平，呂玉庭 ，陳俊濤. 超細煤水煤漿流變特性的研究[J]. 選煤技術(shù)，2004，26（4）：557-559.