流体力学在制浆造纸工业中的应用.doc

流体力学在制浆造纸工业中的应用摘要：流体力学是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科，是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。本文主要以在制浆造纸工业中流体力学的应用为例，探讨这一学科在生产中的应用。关键词：制浆造纸 流体力学 生产应用一前言造纸的原料是一种纤维悬浮液，在工程上称为纸浆，由浆厂生产。纸浆是固(纤维)、液(水)和少量空气同时存在的三相混台体。影响因素很多，流动机理复杂。对纸浆流动机理的研究成果，直接应用于输送管路系统的设计、纸页成形机理的研究和新设备的研制方面。二.流动状态根据纤维浓度的高低，可把纸浆分为四类：浓度 c 06 时，为极低浓纸浆，具有与水流近似的性质；浓度 0. 6 c 6，为低浓纸浆，有一定流动性，可用普通离心泵输送；浓度6 c 1 5 ，为中浓纸浆，流动性能大大减弱； 浓度 1 5 时，为高浓纸浆，属于粘弹性体 目前国内的制浆造纸过程多在低浓条件下进行对于低浓纸浆，当流速不大时，纤维要交织成连贯的网络，叫网络塞体，纤维之间没有相对运动，整个网络在管内像塞子一样向前滑移，网络与管壁之间存在一层很薄的水膜，叫水环，这种流动称为塞流，如图1 a所示 随着流速的增大，管壁剪应力的提高，破坏了网络塞体的稳定性，使网络塞体逐渐被分散进入水环流，水环厚度亦逐渐增大，这个流动区间称为混流，它十分类似于牛顿型流体的过渡流，如图1b所示 所有研究都证实，一旦网络塞体完全分散时，纸浆流就进入湍流状态，湍流的速度剖面图如图1c所示流动特性曲线目前，在制浆、造纸研究中均用特性曲线来描述纸浆的流动特性 特性曲线表示了流动压头损失h 和平均流速u(m，s)的函数关系，如图2所示 为了便于比较，图中还给出了在同样流动条件下普通水流的特性曲线 可以看出，在交点H以前的区间，纸浆流动属于塞流状态；从H到F的流动区间属于混流状态；F以后的流动区间属于湍流状态从图2中明显看出，在塞流状态下，纸浆的压头损失要比同样流动条件下，普通水流的压头损失大得多；在混流和湍流状态下，压头损失反而比普通水流的小，出现“阻力减小”的现象 这是纸浆流动最主要的特征水环流塞流中纤维网络与管壁之间的水环是很薄的水膜 实验研究证明，水环厚度可用下面分式进行预测：式中 为纤维浓度()，“为管内平均流速(ms) 由此可见，纤维浓度愈高，水环愈薄，而流速愈高，水环愈厚关于水环流本身的机理，例如它对压头损失的影响，是否可以认为是塞流状态下的边界层等，还有待进一步研究。三流变学和流体流动特性流变学是研究材料（物体）在外力作用下产生流动与变形的一门学科，它是研究复杂介质力学性质的新学科。流变学认为各种物质都具有粘弹性，即既具有粘性又有弹性，其弹性变形符合虎克定律，即变形的大小与受力成正比，而粘度变形不符合虎克定律，当作用力大到一定程度，就会出现粘性流动，甚至可以无限变形。物质的粘性和弹性在一定条件下发生转换剪切应力、剪切速率和粘度是流变学研究中的三大要素 以剪切应力与剪切速率作图，从流体的流动特性曲线就可以了解流体的类型。1.牛顿型流体：剪切应力与剪切速率成正比的流体。凡服从牛顿定律的流体称为牛顿型流体，或称理想粘性流体，其流动曲线为直线，即粘度不变，同时粘度为斜率的倒数。粘度：剪切应力与剪切速率的比值。低分子化合物的液体或溶液，如水、丙酮、苯等属此类流体。 四.非牛顿型流体及其流动方程式凡流动时不服从牛顿定律的流体都称为非牛顿型流体，剪切力与剪切速率不成正比，即粘度不是常数。对这类流体来说，剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度。非牛顿型流体的流变曲线不是直线，而是曲线，其形状随不同流体而异。（1）塑性流体（Bingham流体）这种流体受外力时，在屈服点之前不发生流动，只是产生弹性变形，超过屈服点之后变为牛顿型流体。脂膏、模塑粘土、聚合物、牙膏以及能形成凝胶结构的浓缩聚合物溶液都属于塑性流体。 （2）假塑性流体（拟塑性流体）这种流体受外力时，在屈服点后（有时屈服点为0）为非牛顿型流体，它的表观粘度是随剪切应力（或剪切速率）的增加而降低（即斜率增加）这类的物体如橡胶、塑料和大多数聚合物的溶液（3）胀塑性流体（胀流性流体）这种流体的表观粘度是随着剪切应力（或剪切速率）的增加而增加的（斜率减小）涂料、印刷油墨等都属于此种类型五.触变性流体当流体受外力超过屈服点后，流体分子物理结构不断破坏，使粘度不断减小，这种和假塑性流动相似，当剪切力减小时，剪切速率按一个恒定的速率下降，这时形成的直线与上升的曲线形成一环线的回路，称之为滞后回路，有滞后回路的体系即具有触变性。回路的面积大小可表示触变性的大小。由于非牛顿型流体的涂料都具有时间依赖性，一般都可以说是具有触变性的，属于这类流体的有涂料、淀粉型涂料、微细颜料涂料等。 六颜料涂布用涂料的流变学特性颜料涂布用涂料（简称涂料）是颜料和合成树脂胶乳等粒子，分散在可溶性的胶粘剂溶液中，内含各种助剂的复杂悬浮系。涂料总各组分存在着相互作用，由于悬浮粒子高表面能所造成的不稳定性，粒子间存在着凝聚的趋势，从而使悬浮系内存在某种形式的内部结构，甚至形成空间网络状结构。在涂料发生流动变形时，这种内部结构将影响涂料的粘度和流变性。1.剪切速率与涂料粘度不同剪切速率下的涂料粘度变化曲线在低剪切速率下，对不同浓度的悬浮液有两种表现：在浓度很低从而粒子间无相互作用的情况下，体系内的粒子在布朗运动的影响下，呈无序的分散状态，悬浮粒子对流动不构成影响，属于牛顿型流体；在较高浓度下，粒子间的作用增强，形成絮团或网状结构体，这种结构体将具有一定的机械强度，对流动构成阻力，只有当作用高到足以破坏这种结构时，才开始流动。这是将有屈服点。在屈服点之前的低剪切速率下，粘度可视为无穷大。这就是图中虚线所表示的情况。对于浓度较高的悬浮液，剪切速率进一步提高，增大了的剪切力将使内部结构破坏，从而使流动的阻力减小，粘度下降，而且剪切速率越高，对内部结构的破坏越甚，粘度越下降。这时表现为前述的塑性或假塑性流动，可以称这种因剪切作用而粘度下降的流动现象为“剪切致稀”。随着剪切速率的提高，被剪切力分散了的粒子，将以流阻最小的方式存在才能获得稳定性，因此，它们将沿着剪切力的方向排列成层状，从而具有最小的流动阻力，而且只要这种排列状态不被破坏，其粘度将稳定不变，因此具有牛顿型流体的特征，此时的粘度是悬浮液本身的牛顿粘度。当剪切速率进一步增高，使剪切力大到能够破坏这种有序的排列状态，从而使流动阻力增高，即粘度增大，呈现前述的胀流特性，可以称这种因剪切作用而粘度增高的现象为“剪切增稠”。由上述可见，在不同剪切速率下，涂料的粘度和流动特性是不同的。在实际生产中，在不同的操作过程和不同的设备上，由于相应的剪切速率不同，同一种涂料会表现出不同的适应性。对于涂料，要了解其全剪切速率下的流动特性，应对0.011000000/s的范围进行检测。可分为三个阶段：低剪切速率区：0.1-1000/s，为涂料的输送、泵送及混合操作，其历时较长，约几秒至几分。高剪切速率区：1000100000/s，为气刀、刮棒等涂布操作，历时为几个毫秒。超高剪切速率区：100000以上，为计量辊、刮刀涂布等操作，历时为几个微秒。结论：我国改革开发后，经济迅速发展，而将流体力学这一经典的力学分支