新型浓密膏体流变特性测试实验台研制与验证.doc

新型浓密膏体流变特性测试实验台研制与验证摘要：非牛顿流体在管道输送时其流变特性是管道工艺设计的主要依据。基于管流法的流变测试原理，分析已有浓密膏体流变特性测试实验台优缺点，取长补短对其实施改进。采用液压系统代替气压方式推送物料实现管道输送，以“稳流量测压差”代替“定压力测流量”的方式获取关键参数，以此推算浓密膏体的流变特性，为浓密膏体的管道输送工艺设计提供新实验平台。以赤泥为例进行实验验证，确定了67.5%68.5%浓度赤泥不同管径输送下的流变模型。测量过程表明本实验台可行且操作方便、数据可靠；原始实验数据及其处理结果符合理论规律。关键词：非牛顿流体；管流法；浓密膏体；流变特性；管道输送；压差；赤泥Design and verification of a new rheological test system for dense pasteAbstract：In order to measure the rheological characteristic of high concentration and viscous industry dense paste waste, a kind of non-Newtonian fluid, and help designing the transport pipelines definitely, a new rheological test system based on the principles of pipe flow type with better performance is introduced in this paper. Instead of “measuring the corresponding flow rate under fixed pressure value”, a manner called “measuring the corresponding pressure when flow rate is kept stable at different values” is used in the new system. Besides, the system is driven by a well controlled hydraulic pressure system. At the end, the rheological equations for red mud with a concentration of 67.5%68.5% when transported by the pipelines with different diameters are decided using the new rheological test system. Test results prove that the new system is useful and reliable. Also the acquired data, original or processed, are in accordance with the authoritative theoretic description.Key words：non-Newtonian fluid; pipe flow type; dense paste; rheological characteristic; pipeline transportation; corresponding pressure; red mud新型浓密膏体流变特性测试实验台研制与验证 16471引言管道输送高浓度黏稠工业固体废弃物是继液体和浆体管道输送后新兴的管道输送技术，输送时以“浓密膏体”的形式在管道中流动。高浓度黏稠物料的流变特性，是计算管道输送摩阻损失、设计管道输送系统参数的主要根据之一1。这些物料含固量高且颗粒细、黏度大，在常温常压下几乎不流动，特征介于固体-流体之间，属于特殊非牛顿流体范畴2。因为其特殊的物态及流态， 合适的流变模型确定方法及相关仪器的研制以旋转法或管流法理论为主 3-4。本文针对这种特殊的传输介质分别进行了加压旋转流变测量、大型环管实验输送系统大量理论及实验研究，表明管流法较旋转法对工程实际具有更现实、更直观的指导意义5-7。但是大型环管实验周期长、物料量大，费时且费力。文献8中的加压管式流变测试实验台采用氮气加压使被测物料流动，实现管道输送工况模拟。多次实验发现存在诸如流量测量误差大、重复性不好、气压加压易穿孔（气体击穿物料层直接进入管道出流入口）、物料自重影响、装卸料困难等缺点，影响实验效率与可信度，遂对其实施改进。改进后的测试实验台遵循管流法测试原理，保留通过长、短管结构差异获取管段上压力差值的方法，采用液压活塞加压取代气压方式消除穿孔现象，改变传感器安装方式避免压力数值受物料自重影响，改变实验台基本结构以方便装卸物料，优化了压力与流量的数据获取方法，减少人为操作误差，在保证能正常测试工作的前提下，达到了提高实验工作效率，减小误差的目的。2改进方案2.1测量原理用管流法确定非牛顿流体的流变模型，即寻找流体的管壁切应力和管壁剪切速率的曲线关系。管壁切应力和压降的关系可由均匀流动方程表示： (1)牛顿流体的管壁剪切速率表示为，对于非牛顿流体而言，管壁剪切速率虽然不等于，但与其有关，称为流动特征值或虚剪切速率2-3。罗宾诺维奇-莫纳方程： (2)是时变性黏性流体管壁剪切速率的一般表达式，其中： (3)式（3）表明，只需实测流量Q或流速V以及相应的压降，整理成和两组数据即可进行相应的运算处理确定流变特性。本实验台旨在模拟物料的管道输送并测得关键参数流速（或流量）以及管段压差。具体方案如图1所示。液压活塞在密闭物料缸6内作往复运动，将物料从开口式储料仓8内吸入物料缸，再由物料缸末端的管路7稳定地排出，实现管流输送过程。实验管路可通过法兰灵活装卸，选择不同直径（50 mm，38 mm， 31 mm，25 mm）的长管、短管或弯管作为排料管路。1闸板阀；2 液压站；3 控制箱；4 油缸；5 活塞杆；6 物料缸；7 实验管路；8 物料仓图1新型测试装置设计原理图及流程说明Fig.1 Design principle diagram of the new test system andits working procedure2.2原始参数的获取2.2.1压力测量与压差计算放弃原“定压力测流量”的方法，改用“稳流量测压差”的手段。排料过程中压力数值全程采集记录，然后取平均值。在如图2所示位置将平膜式压力变送器直接安装于连接法兰上与实验管路的轴心在同一水平面，能较准确地反映管路入口压力，压力方向正交于重力方向，故不存在物料自重的影响。同时保证了长、短管的入口压力测试环境一致或相似，使压力差值主要来自于管道的长度结构差异，最大程度地消除其他因素的引入。压力变送器精度为0.5%。图2测压点局部图Fig.2 Partial illustration for pressure measurement如图3所示，保留原有的利用长、短直管结构差异消除局部阻力损失的方法。实验时，分别采集同一流速下长管和短管入口处的压力值。图3实验管路示意图Fig.3 Schematic diagram of the experimental pipes如图4所示，以38 mm管径分别在55 mm/s和100 mm/s排料速度时数采为例，长管压力与短管压力二者相减即为该流量下直管段的压差。(a)38 mm管径在4档排料速度（55 mm/s）(a) 38 mm-diameter，transporting velocity is 55 mm/s(b)38 mm管径在7档排料速度（100 mm/s）(b) 38 mm-diameter transporting velocity is 100 mm/s图4长、短管入口压力数据例图Fig.4 The acquired inter-pressure data graph for long and short pipelines with the same diameter and transporting velocity2.2.2变流速的实现与数值确定活塞推行稳定且推速在10160 mm/s之间被分为10个档位，能准确变档。活塞行程通过安装限位开关实现精确预置并可调。前行时间自动记录显示（精确到0.01 s）。利用活塞截面积与管路截面积的比值即可转化得出物料的出流速度。每档速度由比例阀控制，亦可根据实验需求调整程序改变给定电流值从而缩小流速控制范围。3实验测试与处理分析采用本小型管式流变实验台对常温常压下流动性较差的含固量67.5%68.5%的赤泥进行了流变测试。实验物料如图5所示。实验管径分别为50 mm、38 mm、31 mm以及25 mm。图5实验物料Fig.5 Red mud used in the experiment实验过程中，对于每一管径排料，分别测量不同活塞推速时长短管的入口压力并将其与流速的对应关系绘制在同一张图中，可分别拟合出长短管流速与压力的关系曲线，拟合方程，进而作差运算得出相应流速下的压差值，如图6所示（以38 mm管径数据为例）。图6长短管流速与压力关系曲线系Fig.6 Pressure-velocity charts for both long and short pipes对所得流速及压差数据进行因子转换得到及，进而按2.1节中介绍的对两者取对数运算并绘制与关系曲线（如图7所示，以38 mm管径数据为例）。图中曲线斜率称为流变指数,其表达式为： (4)新型浓密膏体流变特性测试实验台研制与验证 1649图7关系曲线Fig.7 Relation chart between ln(8v/D) and图7曲线呈现明显的非线性，即不再是常数，采用非线性拟合并求导的办法得到各流速值对应的值。再由罗宾诺维奇-莫纳方程确定管壁剪切速率，最后与管壁切应力建立关系曲线表征被测流体的流变特征。图8即为最终整理得到的4个管径对应的流变曲线。图867.5%68.5%浓度的赤泥在各个管径下的流变曲线Fig. 8 Rheological property graph of red med图中曲线对应的流变方程如下：(1)25 mm =5.240.93+518.3(2)31 mm =5.340.91+395.85(3)38 mm =4.630.88+379.89(4)50 mm =4.840.87+265.28由上述流变曲线方程可得如下实验结论：对于含固量为67.5%68.5%赤泥，管道输送时表现为屈服伪塑性流体，4个管径下除各自的屈服应力（518.3 Pa，395.85 Pa，379.89 Pa，265.28 Pa）随着管径增大有明显减小，其他的参数即流动指数n(0.93, 0.91, 0.88, 0.87)及稠度系数k(5.24, 5.34, 5.63, 4.84)均很接近，说明本浓度下赤泥流态比较稳定。流动指数n均比较接近，说明本次实验情况下赤泥的流体特性非常接近宾汉体。本文数据与文献8中提供的煤泥流变特性测试参考数据相比，首先在流速可测范围上比其广，可获取的原始数据点多；其次，得到的管壁剪切应力范围大，即表现物料流变特性变化趋势的信息将更丰富。4结论上述实验结果表明，改进后的管式流变实验台不仅可模拟管道输送的工况，用于黏稠非牛顿流体的流变测试并确定其流变特性，相较于原测试系统还有如下优点：1）实验过程中除了手动开启和闭合排料闸阀，基本属于“按钮式”操作，人为引入的误差因素少；2）每次实验需要物料较少，且物料循环利用，保证实验过程中物料浓度的一致性。且物料仓的小体积、开放式利于装卸料；3）压力与流速数值捕获范围大，数据点更丰富；4）压差值不包含物料自重所引入的误差。没有穿孔现象，不会因为容器密封问题而中断实验。参考文献1 CHEN J. Study on rheological properties and frictional resistance of pipeline transport high concentration and viscous materialsD. Beijing: China University of Mining and Technology (Beijing), 2007.2 CHEN J, ZHAO X Y, WANG X, et al. New application notion of pipeline transport-integrated in industry solid waste innocuous and efficient dispositionJ. Journal of Coal Science & Engineering, 2006, 12(2):75-79.3 SHEN C T, LIU H N. Non-Newtonian fluid mechanics and its applicationM. Beijing: Higher Education Press, 1989:150-200.4 SHOU G. Slurry pipeline blockage, theory and practiceC.Hydro Transport 16th International Conference,2004:623-629.5 YANG X P, ZHAO X Y , JIN Y, et al. Design and calibration for high-press