（环境工程专业论文）水煤浆管内流动特性试验研究及其数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 水煤浆管道输送具有效率高、成本低、污染小和安全可靠等优点，在洁净煤技术领域应用广泛。但 水煤浆管道输送技术领域的研究多停留在经验或半经验层面，相关基础研究严重滞后。作为复杂的液固 两相非牛顿流体，水煤浆在流动方面仍存在大量科学问题亟待解决，这些问题制约着高浓度水煤浆管道 输送技术的发展。本文基于水煤浆管道输送技术的要求，针对该技术所涉及的水煤浆流变特性、壁面滑 移特性以及管道阻力损失等方面的核心与科学问题展开研究。 在中试规模的试验装置上进行了多管径下流动试验，通过改变浓度、粒径、温度和流速等参数，深 入系统地研究了水煤浆管内流动的壁面滑移规律。在表观滑移流动机理假设的基础上，利用经典m o o n e y 滑移修正方法的模型检验功能和t t k h o n o v 正则化方法的准确性，首次将两种方法联合使用确定了水煤 浆的真实流变特性和壁面滑移特性。对水煤浆壁面流动状态和流动机理进行了深入分析，提出了液固两 相非牛顿流体壁面滑移的形成和抑止机理，确定了管内的流动三种形态，建立了它们与固相特性、操作 条件和管道尺寸等因素之间的本质联系。 研究了水煤浆的真实流变特性随浓度、粒径、温度和剪切等因素的变化规律。以煤水混合物流变机 理假设为基础，建立了表观粘度、屈服应力、极限剪切粘度的变化规律和流变特性的转变规律与浆体内 部物质结构之间的关系；揭示了颗粒间的相互作用是控制整个管内流动形态的关键因素，建立了浆体流 变特性与壁面流动状态之间的联系。 从流动结构和能量损失的角度研究了壁面流动条件和流变特性对水煤浆管内流动特性和阻力特性的 影响，揭示了管内流动特性和阻力特性随浓度、温度、粒径和管径及流动形态等因素的变化规律；建立 了可同时表征浆体流变特性和壁面滑移特性的相似准数( 广义雷诺数) 。 对水煤浆流经一系列局部管件的能量损失规律进行了系统的试验研究，确定了弯管阻力损失随弯径 比、管径和广义雷诺数的变化规律，探讨了弯管内流动相似性问题，研究了突缩管和突扩管的局部阻力 损失以及流体特性的影响。首次研究了具有壁面滑移特性的非牛顿流体在局部管件的能量损失规律，揭 示了壁面滑移特性和滑移层破坏对总局部阻力损失的影响。对局部阻力损失规律的研究，不但为水煤浆 这类高浓度液固两相非牛顿流体的管道设计提供了理论基础和参考数据，而且是对该领域研究成果的丰 富和发展 基于欧拉多相流方法，结合颗粒动理学的基本理论和多相湍流模型，建立了能在较宽雷诺数范围内 描述水煤浆管内流动的两相流体动力学模型。模型计算中可将具有双峰分布特性的煤粉颗粒看作直径不 同的两种固相，同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换。在模型有效性验证的基础上，对管 道充分发展段和入口段内的流动规律进行了模拟研究考察了入口浓度、流速和颗粒粗细配比等因素的 影响，获得了各相浓度分布、速度分布和压降特性，研究结果对认识水煤浆管内复杂的流动结构和机理 提供了比试验测量更为丰富的信息。 关键词：水煤浆：非牛顿流体；管道输送；壁面滑移；流变特性：阻力特性：颗粒动理学；多相流模型 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o no fc o a lw a t e rs l u r r y ( c w s ) w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s t , e n v i r o n m e n tf r i e n d s h i p ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , h a sb e e nf o u n di t sw i d eu i nt h ef i e l d so fc l e a nc o a l t e c h n o l o g i e s h o w e v e r , i tp o s e sag r e a tc h a l l e n g ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n ti np i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n t e c h n o l o g i e s ，b e c a u s e ，u pt op r e s e n t , t h ek n o w l e d g es u p p o r t i n gt h i st e c h n o l o g yi sm a i n l ye m p i r i c a lo r s e m i - e m p i r i c a la n dt h er e l a t e db a s i cr e s e a r c hi sl a g g i n gb e h i n dt h ea p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g y al a r g en u m b e ro f s c i e n t i f i cp r o b l e m sc o n c e r n i n gc w sf l o w , w h i c ha r em a i nr e s t r i c t i o nf a c t o r sa g a i n s tt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a r eu r g e n tt ob es 0 1 v e d t h e _ p r e s e n tw o r ki sd e v o t e dt os o l v i n g s o m eo f t h e s es c i e n t i f i cp r o b l e m sw h i c hd e a lw i t ht h et h e o l o g yo fc w s ，t h ew a l l - s l i pp h e n o m e n o na sw e l la st h es l u r r y f l o wb e h a v i o ri ns t r a i g h tp i p e sa n dp i p ee l e m e n t s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sw e r ec o n d u c t e do nap i l o ts c a l ec w st r a n u q p o r t a t i o na p p a r a t u st oi n v e s t i g a t es l i p f l o wb o h a v i o ro fc o n c e n t r a t e dc o a lw a t e rs l u r r i e si np i p e sw i t hv a r i o u sd i a m e t e r s an u m e r i c a lt e c h n i q u eb a s e d o nt t k h o n o vr e g u l a r i z a t i o na n dt h et r a d i t i o n a lm o o n e ym e t h o df o rw a l l s l i pc o r r e c t i o n ，t o g e t h e r 丽i ha n a p p a r e n tw a l ls l i pm e c h a n i s m , w a sp u tf o r w a r dt od e t e r m i n ew a l ls l i pb e h a v i o ra n dt h et r u er h c o l o g yo fc w s s t h ee f f e c t so fv o l u m ec o n c e n t r a t i o n ，a v e r a g ep a r t i c l es i z ea n ds l u r r yt e m p e r a t u r e0 1 1w a l ls l i pv e l o c i t y , c r i t i c a l w a l ls h e a rs t r e s sa n ds l i p p a g ec o n t r i b u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d an e wm e c h a n i s mw a sb r o u g h tf o r w a r dt o d e s c n b et h ef o r m a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fas l i pl a y e rf o rn o n - n e w t o n i a ns l u r r yf l o w t h r e ef l o wr e g i m e s t o g e t h e rw i t ht h r e ef l o wp a t t e r n sw e r ef o u n d m a n yf a c t o r s ，s u c ha st h es o l i dp r o p e r t i e s ，t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n a n dp i p es i z e ，、黼w e l lc o r r e l a t e dt ot h ef l o wr e g i m e sa n dt h ef l o wp a t t e r n s t h ee f f e c t so fs o l i dc o n c e n t r a t i o n ，p a r t i c l es i z e , s l u r r yt e m p e r a t u r ea n ds h e a rs 峨so nt h et r u er h c o l o g i c a l p r o p e r t i e s ( i n d e p e n d e n tf r o mp i p ed i a m e t e r ) o fc w sw e r ei n v e s t i g a t e df o rt h ef i r s tt i m ei nd e t a i l t h e r e l a t i o n s h i p sw 讹a l s ow e l le s t a b l i s h e db e t w e e nt h er h e o l o g i c a lp a r a m e t e r s ( t h es h e a rv i s c o s i t y , t h ey i e l ds t r e s s a n dt h eh i g hs h e a rv i s c o s i t y ) ，t h et r a n s i t i o n si nr h c o l o g i c a lb e h a v i o r sa n dt h em a t e r i a ls l r u c t u r eb yu s i n gan e w d e v e l o p e dt h e o l o g i c a lm e c h a n i s mo fc o a l - w a t e rm i x t u r e a tt h es a m et i m e , t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h et r u e t h e o l o g i c a lb e h a v i o r sc o u l db ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e d 埘t ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s b a s e do nt h ef i n d i n g s ，t h e i n t e r p a r t i c l ef o r c ew a sp r o v e db et h ek e y f a c t o rw h i c hc o n t r o l st h ef l o wr e g i m e so fs l u r r i e si np i p e l i n e s t h er e s i s t a n c ep r o p e r t i e sf o rt h ef l o wo fv a r i o u sc o a lw a t e rs l u r r i e st h r o u g hs t r a i g h tp i p e sw e r ed e t e r m i n e d t h ee f f e c t so fs o l i dc o n c e n t r a t i o n ，s l u r r yt e m p e r a t u r e , p a r t i c l es i z ea n dp i p ed i m e n s i o no nf r i c t i o n a lp r 岱跚砖 d r o pw e r ei n v e s t i g a t e db ya n a l y z i n gf l o ws t r u c t u r ea n dd r a gr e d u c t i o n f r i c t i o nf a c t o r - r e y n o l d sn u m b e r c o r r e l a t i o nw a se s t a b l i s h e di nl a m i n a rf l o wr e g i m eb a s e do nb o t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ed e r i v a t i o no fa g e n e r a l i z e dr e y n o l d sn u m b e rf o r mt h ea p p a r e n ts l i pf l o wm e c h a n i s mo f n o n - n e w t o n i a ns l u r r y 1 i e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o mw c l ec a r r i e do u tt oe v a l u a t et h ef r i c t i o nl o s s e si i c t o s sd i f f e r e n tp i p ee l e m e n t sf o r c o a lw a t e rs l u r r i e s e n e r g yl o s s e si nas e - r i c so fc u r v e dp i p e sw e 他e x a c t l yl l l c a s u r e dw i t hc o n s i d e r a t i o no fv a r y i n g t h er a t i oo fb e n dt od i a m e t e r ( b 仞，t h ep i p ed i a m e t e ra n dt h eg e n e r a l i z e dr e y n o l d sn u m b e rv a l u e t h e m e a s u r e m e n t se s t a b l i s h e dt h a td y a m i cs i m i l a r i t yc o u l dn o tb eo b t a i n e di l lc u r v e dp i p e s f o rs u d d e ne x p a n s i o n a n ds u d d e nc o n t r a c t i o n ，t h ee f f e c t so ft h ef l o wb e h a v i o ro fs l u r r i e so nl o c a le n e r g yl o s s e sw e r ea l s od e t e r m i n e d f r i c t i o nf a c t o r - g e n e r a l i z e dr e y n o l d sn u m b e re o r r e l a t i o mw e r ee s t a b l i s h e df o rl a m i n a rf l o wr e g i m e f o rt h ef i r s t t i m e , t h ef r i c t i o n a lp r e s s u r e 击叩a c r o s sp i p i n gc o m p o n e n t sw e r ei n v e s t i g a t e df o rc w sa n dn o n - n e w t o n i a n s l u r r i e sw i t ht h ep i 鬣；e 埘o f w a l ls l i pi nap i p ef l o w a tt h e 锄et i m e ，t h ee f f e e t so f s l i pf l o wb e h a v i o ro f s l u r r i e s a n dt h ed e s l r o yd e g r e eo fas l i pl a y e ro nt h et o t a lf r i c t i o nl o s s e s 懈d i s c u s s e d t h er e s u l t sp r o v i d eac r i t i c a l p r e c u r s o rt op r a c t i c a le n g i n e e r i n gh y d r a u l i cd e s i g n an u m e r i c a lm o d e lf o rp r e d i c a t i o no fh o r i z o n t a lp i p e l i n ef l o wo fc o a lw a t e rs l u r r yi naw i d er a n g eo f r e y n o l d sn u m b e r r a sd e v e l o p e db a s e do ne u l e r i a nm u l t i p h a s ea p p r o a e l lt h ek i n e t i ct h e o r yo fg r a u u l a rf l o w 、舔u s e dt oc a l c u l a t ea l lc o n s t i t u t i v ep a z a m c t e r so ft h es o l i d - p h a s ec o m p o n e n t s t h er n gk - 6t u r b u l e n tm o d e l w a si n c o r p o r a t e di n t ot h eg o v e r n i n ge q u a t i o nt om o d e lt u r b u l e n tt w op h a s ef l o ww i t hs t r o n gp a r t i c l e - p a r t i c l e i n t e r a c t i o n s ht h i sm o d e l ，t h ec o a lp a r t i c l e sw i t hb i m o d a ld i s t r i b u t i o nw c l ee o m i d e r e da st w os o l i d - p h a s e c o m p o n e n t sa n dt h em o m e n te x c h a n g eb e t w e e ns o l i da n dl i q u i d 够w e l l 的t h a tb e t w e e ns o l i da n ds o f i dw e a c c o u n t e df o r t h em o d e l 忸bv a l i d a t e d 、i t hc o n c e n t r a t i o np r o f i l ed a t af r o mt h eo p e nl i t e r a t u r ea n dw i t h p r c s s u i eg r a d i e n td a t ao ft h ea u t h o r se x p e r i m e n t s t h ee f f e c t so fi n f l u xv e l o c i t y , t o t a li n f l u xc o n c e n t r a t i o na n d g r a i nc o m p o s i t i o no i lf u l l yd e v e l o p e df l o wa n de n t r a n c ef l o wl t e l r en u m e r i c , a l l ys i m u l a t e d a n dt h or e s u l t s d i s p l a y e ds o l n ci m p o r t a n ts l u r r yf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h 鹄p a r t i c l e se o n e e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t y d i s t r i b u t i o na sw e l la sp r e s s u r eg r a d i e n t s ，w h i c ha l ev e r yd i t t i e u l tt ob em e a s u r e di nt h ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：c o a lw a t e rs l u r r y ；n o n - n e w t o n i a nf l u i d ：p i p e l i n ei r a n s p o r t a t i o mw a l ls l i p ；r h e o l o g i e a lb e h a v i o r ； r e s i s t a n c ep r o p c l t y ；k i n e t i ct h e o r yo fg r a n u l a rf l o w ；m u l t i f l u i dm o d e l i l l 东南大学博士学位论文 英文符号 口一 口f b - - - - - - - 岛 c i t d d e - - - - - - - - - 西 d e 一 五 l g g 勘 胁 h t 如 l k k k 鼬 工 n q 足 r e r e b - - - - - - - - r e s _ _ _ _ _ _ _ _ _ - r e k - - - - r e k - - - - - ， ，c r ” u s “s “ y 主要符号列表 v 婶 滑移速度向量 滑移系数 动能修正因子希腊字母 滑移指数兀 曳力系数 必力 质量份额， 7 管径，m占 d e a n 数 a p 颗粒煤粉平均粒径，t u n 8 指数 颗粒碰撞恢复系数 流动活化能，j t 0 0 1 摩擦因子 粕 重力加速度，m s 2 2 重力加速度矢量z 辐射分布函数f h e d s t r o m 数 p 广义h e d s t r o m 数 户p 由稠度系数定义的h e d s c u m 数加 单位张量 p 血 湍动能f 稠度系数，p a s i f 颗粒温度导热率 管段长度，mk 流变特性指数 体积流量，m 3 ，s 缈 管道半径，m m e t z n e r - r e e d 广义雷诺数 z 宾汉雷诺数 广义雷诺数 k o z i c l d 广义雷诺数 由稠度系数定义的雷诺数 径向位置，m 弯管的曲率半径，m 温度， 速度，m s 壁面滑移速度，r i d s 壁面滑移速度函数 速度矢量 平均流速，m s i v 表观剪切速率，s 1 剪切速率函数 剪切速率向量 滑移层厚度，m 压降，p a 滑移贡献率 湍动能耗散率 表观粘度，p a s 刚度系数，p a s 极限剪切粘度，p a 8 正则化参数 粘度，p a 8 局部阻力系数 密度，k g m 3 固相密度，k g m 3 液相密度，k g m 3 水煤浆密度，k g m s 剪切应力，p a 粘性应力张量 壁面剪切应力，p a 临界壁面剪切应力，p a 屈服应力，p a 体积浓度，v 0 1 最大填充份额，v 0 1 滑移修正系数 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 啦魄上乒厶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：酪碜导师签名： 鲜眺学 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水煤浆( c w s ) 是由质量份额6 0 0 0 的煤粉、3 0 - - 4 0 的水和少量添加剂混合构成的液固两相悬浮 体系，是一种新型的煤基流体燃料。它具有和石油一样的流动性和稳定性。可方便地实现储存、管道输送、 雾化和燃烧。由于水煤浆可作为代油燃料和气化原料，具有节能、环保和综合利用煤泥等多种效益，受到 各国工业界的高度重视。 水煤浆管道输送是一种新兴的现代化固体物料输运方式，具有效率高、成本低、占地少、污染小、安 全可靠等优点，广泛用于煤炭、冶金、化工、远距离输送等工业领域，在煤的燃烧和气化等洁净煤技术领 域应用尤为广泛【1 3 1 。美国最早开发了中等浓度煤浆输送技术，于1 9 7 0 年建成世界上最长煤浆输送管线 ( 4 3 9 k m ) ，管径有4 5 7 m m 和3 0 5 r a m 两种，设计输煤量4 5 0 x1 0 4 t a 。在1 9 8 9 年，苏联建成世界上第一条 大型高浓度煤浆输送管线，采用两条直径5 3 0 m m 、长2 6 0 k i n 的管道向6 x 2 0 0 m w 电站锅炉输送水煤浆。 该工程的建成标志着高浓度水煤浆管道输送技术和电站锅炉燃烧水煤浆技术达到了新阶段。目前，我国也 正在融资筹建大同一塘沽水煤浆输送管道1 4 1 。在水煤浆的燃烧和气化工艺中，燃烧炉或气化炉的进料同样 由管道输送实现。如t e x a c o 气化和d e s t e c 气化等工艺都采用水煤浆为炉料进行气化，在炉前实现制浆、 储存和输送过程；多数燃用水煤浆的工业锅炉和窑炉只需在炉前采用简单储存和输送工艺。 水煤浆管道输送技术涉及物理化学、多相流体力学、非牛顿流体力学和颗粒学等交叉学科和相关的技 术。随着现代工业的发展，对输送技术提出了更高的要求。国内外在输送设备、输送工艺、输送参数选择 和优化设计等方面作了大量的研究，极大地推动了水煤浆管道输送技术的发展。目前，有关高浓度浆体输 送技术的研究主要集中在以下几个方面【5 】：从流变学和两相流体力学角度进行试验研究，探索悬浮机理、 固体物料的特性等对流动和输送参数的影响；应用系统工程的方法进行优化设计，力求工程设计达到运 行可靠、技术先进和经济合理；在高效耐磨的输送设备上进行试验研究，保证系统可靠运行。其中，第 一个方面是管道输送技术开发的基础和核心。到目前为止，尽管水煤浆管道输送技术得到了广泛应用，但 由于影响浆体流动特性的因素繁多以及试验研究中测量困难等原因，导致本领域研究多停留在经验或半经 验层面，相关的基础研究严重滞后于技术发展，仍然存在大量科学问题亟待解决。 我国煤炭资源相对丰富，煤炭在国家能源结构中将长期占据主导地位，但煤炭总体利用效率不高，造 成严重的环境污染。改变这种不利的状况需要大力发展洁净煤技术，其中高压、大容量、高效煤气化技术 是一个重要的发展方向。国家“9 7 3 计划”项目“大规模高效气流床煤气化技术基础研究( 2 0 0 4 c b 2 1 7 7 0 0 ) ” 要求达到更高的日处理能力和煤炭转化率，这必然要求在更高浓度下实现水煤浆的大规模、高效和稳定输 送。因此，开发实用的大规模、均质、稳定的高浓度水煤浆管道输送技术成为实现大规模高效煤气化技术 集成的关键组成部分之一【6 】。本文工作即是“9 7 3 计划”项目子课题“浆态非牛顿流体管内流动特性和均 配规律研究”的主要内容，涉及水煤浆管道输送中的流变特性、壁面滑移、直管和各类局部管件中的流动 阻力等多方面的基础研究，在这些领域取得突破将是开发高浓度、大容量水煤浆管道输送技术的关键。 1 东南大学博士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 液固两相非牛顿流体的壁面滑移 1 2 1 1 壁面滑移现象 壁面滑移现象是指流动过程中流体和与之接触的固体壁面之间存在相对运动【7 砷。对一般的牛顿流体， 壁面无滑移条件总成立。对很多非牛顿流体，越来越多的研究表明睁1 4 l ，流体和固体接触面上的剪切应力 不断增加将导致流体失去对固体壁面的“黏附”作用，使得流体和固体壁面间产生相对运动。壁面滑移广 泛存在于各类非牛顿流体的流动过程中，这些流体主要有高浓度液固两相非牛顿流体、胶体与非胶体悬浮 液、乳状液、油脂类、有机聚合物溶液和原油等。壁面滑移对流体的流动产生重要的影响，在某些条件下 会成为流动的控制因烈7 ”46 】。在流变特性测量中，如果不考虑壁面滑移效应，流体粘性将被过高或过低 地估计，从而造成工艺设计上的巨大偏差。对液固两相非牛顿流体，壁面滑移的产生使得流动阻力不再仅 仅取决于浆体的流变特性，还与壁面流动条件密切相关【1 7 1 ，要精确地确定流动阻力，必须同时给出流变特 性和壁面滑移条件。另外，在非牛顿流体流动的数值模拟中，同样需要预先给定壁面边界条件和浆体的流 变特性。通过一定的测量手段确定壁面滑移规律成为非牛顿流体流动数值模拟的一个先决条件 1 8 - 1 9 3 。壁面 滑移能有效地降低流动能耗，利用壁面滑移减小管内流动阻力成为浆体输送减阻技术研究一个重要方向 【2 0 】。可见，壁面滑移特性和流变特性一样，是非牛顿流体流动特性的重要组成部分。 1 2 1 2 壁面滑移机理 从现有文献看，壁面滑移总体上可分为3 种情况：真实滑移、表观滑移和负滑移。真实滑移多发生 在聚合物熔体的挤压流动过程中，流体和固体壁面之间存在相对运动。固体壁面上的流体速度不为零 【8 1 5 川。负滑移现象多发生在具有长链结构的大分子溶液的流动中，主要是在壁面上的大分子产生了吸附 与解吸附双向过程导致了流体流动能力的降低吲；负滑移现象还存在于气液泡沫制剂的流动中【2 3 1 ，主要 是壁面上的液相对固体边界的黏附作用导致了气液混合物整体流动能力的降低。表观滑移( a p p a r e n ts l i p f l o w ) 是壁面滑移现象中最为普遍的一种，存在于高浓度浆体、悬浮液、乳状液、油脂类等非牛顿流体的 流动中。表观滑移的产生主要是由于固体壁面上形成了粘度很低、厚度很薄的液体层( 滑移层) ，当流体 受到剪切作用时会在液体层内产生很大的速度梯度，从而在管道壁面上表现出与真实滑移相类似的速度跃 迁。表观滑移现象实质上并不违背壁面无滑移条件，滑移层与固体壁面接触部分的流体速度仍然为零。水 煤浆流动的壁面滑移属于液固两相非牛顿流体的“表观滑移”范畴。 液同两相非牛顿流体的表观滑移通常具有如下表现形式【8 1 0 2 4 l ：表观流变数据对测量工具尺寸( 如 管径、平行板粘度计间隙大小等) 存在依赖关系，即对给定的壁面剪切应力，表观剪切速率随测量工具尺 寸的增大而减小，这是壁面滑移最重要的表现：均匀应力场和非均匀应力场中的流变数据存在显著差异； 不同材质或不同粗糙度壁面下测量的流变数据存在显著差异。 液固两相非牛顿流体的壁面滑移是在滑移层的润滑作用下产生的流体与壁面间的相对运动，与滑移层 2 第一章绪论 的形成机理密切相关。k a l y o n 1 啦5 l 认为，固体壁面附近的颗粒不能象浆体内部一样有效地填充壁面附近空 间，导致壁面上形成粘度较低、厚度很薄的液体层，在它的润滑作用下，浆体流动变得更容易。由于这种 滑移层在浆体不流动时也会存在，其形成过程被称作静态壁面损耗效应( s t a t i cw a l ld e p l e t i o ne f f e c t s ) 。 k a l y o n m 】用扫描电镜和荧光分析法获得的图像很好地证明了静态壁面损耗效应的存在，在浆体与壁面之间 的确存在由液相构成的薄层，厚度在2 t t m 3 0 t t m 。 滑移层的形成与发展还可能受壁面上颗粒迁移效应的影响。颗粒迁移的主要动力来自于浆体内部的非 均匀剪切作用，颗粒总是从壁面上的高剪切速率区向浆体主体部分的低剪切速率区迁移，从而在壁面上形 成低粘度的液体层【2 叼。由壁面剪切作用导致的颗粒迁移称作动态损耗效应( d y n a m i cd e p l e t i o ne f f e c t ) 。 g r a h a m 2 7 】用核磁共振成像技术对两同轴旋转圆筒间的浆体( 颗粒相平均浓度为5 0 v o i 和6 0 v 0 1 ) 浓度分 布过程进行观测，发现旋转筒一侧的颗粒向静止筒一侧迁移，并在很短的时间内建立起浓度梯度。 埘g h 咖l 【2 6 】对壁面剪切作用导致的颗粒迁移规律进行观测，建立了简单剪切流动条件下颗粒迁移扩散量表 达式。a r a l 7 1 用平行板粘度计和精密的可视化技术观测壁面滑移的发展过程，发现在给定的表观剪切速率 下，真实变形率、壁面滑移速度和壁面剪切应力随时间变化并都在相同时间内达到稳定状态，达到稳定状 态的特征时间随表观剪切速率和温度的增加而减小。a r a l 认为，这正是壁面上颗粒向低剪切速率方向迁移 形成稳定的滑移层以及浆体内部结构重新调整都需要一定的时间所致。a c r i v o s 2 9 j 采用激光多普勒测速仪 观测垂直于流动方向上的颗粒迁移，并由颗粒迁移效应确定了壁面滑移系数。h a m n 锄f 2 s 】采用目前分辨率 最高的红外分光镜技术对颗粒迁移观测发现，滑移层形成过程中在壁面上存在损耗强度( 颗粒浓度) 和损 耗尺度( 滑移层厚度) 两种变化过程。 b a m 船【2 4 1 对有关高浓度浆体壁面滑移的文献进行分析发现，壁面滑移主要在如下情况发生：固相颗 粒较大；浆体粘度严重依赖于离散相浓度；固体边壁光滑的流动；流速较低；颗粒或固体壁面荷 电。b a r n e s 认为，滑移层是颗粒空间排列作用、水力作用、化学作用和重力等因素共同作用于壁面附近的 离散相使颗粒沿壁面法线方向迁移而形成，由离散相浓度梯度产生的渗透压对颗粒向浆体内部的运动趋势 产生抑止作用。 y i l m a z e r 认为【9 】，壁面滑移能否形成取决于壁面粗糙度和壁面上形成的液体层厚度的相对大小。当液 体层能够完全覆盖粗糙表面时，壁面粗糙度的影响就不会很大；若液体层不能完全覆盖粗糙表面，壁面滑 移就无法形成。 1 - 2 1 3 壁面滑移的影响因素 从现有文献看，影响液固两相非牛顿流体壁面滑移的主要因素有固相浓度、温度、颗粒大小与分布、 液相特性、流速、壁面剪切及液固之间的相互作用等。s o l t a n i 3 0 1 在高浓度浆体流变特性研究中发现壁面滑 移现象。浓度在5 0 v o l o 旷6 0 v 0 1 范围内，由玻璃珠( 直径4 5 9 4 p m 和1 5 0 o l u n ) 制成的浆体流动存在显著 的壁面滑移效应。浓度高达6 3 v 0 1 的情况下，粒径从5 0 3 p r o 增加到1 0 4 1 x m 时，由铝粉制成的浆体在壁 面上表现出由无滑移现象到显著滑移现象的转变过程。在同一试验基础上，s o l t a n i 就固相粒度、浓度和温 度等因素对壁面滑移特性的影响进行了深入分析，得到如下结论【”】：壁面滑移速度与壁面剪切应力成线性 关系，且随温度增加而增加：滑移层厚度随同相粒度的增大而成比例增大，但不随温度变化：滑移层厚度 3 东南大学博士学位论文 ，颗粒直径在较低的值下为零，在达到某临界值后则突然增加，而后其大小与之间的关系似 乎与颗粒大小、浆体温度无关。k a l y o n m 1 认为，液相粘度与浆体粘度差别越大，壁面滑移效应越显著；浆 体屈服应力对壁面滑移具有重要影响。k a l y o n 还发现滑移层厚度取决于浓度和颗粒直径，与流速、流动通 道几何特性无关，并具如下关系： 形砟= 卜9 ( 1 一1 ) 式中：州分别为体积浓度和最大填充份额，v 0 1 ：占为滑移层厚度，m ：席为颗粒平均直径，m 。 a c i k a l i n 2 5 1 考察了颗粒大小和浓度对壁面滑移和真实流变特性的影响，所用物料与水煤浆相似。为 3 7 1 x m 2 3 1 t a n 玻璃珠和有机溶液混合制成。结果表明：壁面滑移速度和浆体粘度都随固相浓度增加而增加； 随颗粒增大，壁面滑移速度增加，浆体粘度降低。 c h a k r a b h u l 3 1 j 的试验表明，壁面有效滑移系数( e f f e c t i v es l i pc o e f f i e e n t ) 与壁面剪切应力呈幂率关系； 壁面有效滑移系数随壁面剪切应力的变化率随液相稠度系数的增加而减小，随流变特性指数的增加而增 加。a r a l 的观测结果显示【刀当温度从2 5 增加9 0 到时，壁面滑移速度增加了近两个量级。a r a l 认为这 是温度增加时液相粘度显著降低所致。在颗粒迁移理论基础上，舢l 朗d c 【3 2 1 首次采用数值计算方法研究管道 入口段内滑移层的形成过程，考察了浓度、颗粒管道直径比和管道长度直径比的影响。 除颗粒相的基本物性和操作条件外，壁面粗糙度也是影响壁面滑移的重要因素【3 3 1 。a r a l 系统地研究 了壁面粗糙度对壁面流动条件的影响【7 1 。结果表明，在很小的壁面粗糙度下壁面滑移非常容易形成，在中 等壁面粗糙度下施加较高的剪切速率时壁面滑移同样会出现，而高的壁面粗糙度能够有效地阻止壁面滑移 形成。 1 - 2 1 4 壁面滑移特性的确定方法 由现有的文献报道可将液固两相非牛顿流体的壁面滑移特性确定方法归为3 类：根据不同的壁面滑 移形成或抑制机理，通过对比不同测量条件下的流变数据确定壁面滑移速度的大小。这类方法包含均匀一 非均匀应力场测量结果对比法和光滑一粗糙壁面测量结果对比法。用精密仪器或设备对壁面滑移特性或 滑移层形成进行直接观测。由假定的壁面滑移速度现象学模型出发，建立壁面滑移速度和真实流变特性 的确定方法。 ( 1 ) 均匀一非均匀应力场测量结果对比法 该方法认为，壁面滑移完全是由于非均匀应力场形成的，在均匀应力场中液固两相流体不会产生壁面 滑移现象8 3 ”5 1 。因此，通过对比均匀与非均匀应力场下的流变数据可获得壁面滑移速度的大小。c o h e n 采用这一方法与m o o n e y 滑移修正方法的结果进行对比，偏差 5 0 时，随浓度的增加，拟塑性特征迅速增加。t s a i l 6 7 】发现，由幂率流体特性的溶剂和煤粉制成的 浆体在低剪切速率下的拟塑性却随浓度升高而减小。f c d 一6 8 j 对高水份褐煤的成浆特性研究发现，随浓度的 增加或煤粉粒径的减小，非牛顿特性增加；屈服应力与固相含量、颗粒大小分布、内孔面积等因素间存在 关联。固相含量对流变特性的影响往往与最大填充份额密切相关，如t u r i a n s s , 对多种水煤浆的屈服应力 浓度关系研究显示，当固相含量最大填充份额( ) 在0 8 5 0 9 0 范围内，屈服应力急剧增加，并在 饰f 町9 0 4 3 9 5 时趋向无穷大；对具有牛顿流体特性的水煤浆测量结果表明，相对牛顿粘度与( 1 一) 呈 反比关系。 一般地，升高温度有利于提高水煤浆的流动性 7 0 l 。r o h 的试验结果表明f 5 4 j ，升高温度在降低粘度的同 时也使浆体的非牛顿特性弱化。温度的影响还与温度所在范围有关。s a n d r a 的研究表吲7 ，温度低于1 0 0 时，水煤浆粘度随温度升高而降低，在温度高于1 0 0 c 时则呈相反趋势。他i 【6