液體通過噴嘴產(chǎn)生的射流可以將連續(xù)相的大范圍液體霧化成大量分散的小液滴，使氣液接觸面積快速增加，從而有效強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱和化學(xué)反應(yīng)，所以液體射流破裂在能源化工、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

自Rayleigh和Weber等采用不穩(wěn)定理論研究液體射流破裂以來，液體射流破裂受到廣泛關(guān)注。Reitz發(fā)現(xiàn)射流不穩(wěn)定波最大增長率為表面張力相關(guān)函數(shù)。Eggers匯總了液滴自由表面流動(dòng)隨時(shí)間變化形態(tài)的研究，包括低黏度流體破裂中不同時(shí)間尺度的變化規(guī)律。Anna等研究了液體黏彈性對(duì)液滴形成過程中喉部直徑的變化以及對(duì)液橋斷裂時(shí)間的影響，并通過多模式模型預(yù)測(cè)瞬時(shí)直徑形態(tài)的發(fā)展變化。Tirtaatmadja等發(fā)現(xiàn)在黏彈性流體破裂過程中，即使在低濃度條件下彈性的作用也遠(yuǎn)大于黏性，并提出了基于魏森伯格數(shù)的黏彈性流體破裂特征方程。Bhat等研究了黏彈性液絲的串珠結(jié)構(gòu)，液體的黏彈性會(huì)阻礙液絲發(fā)生破裂，從而促使更多的小液滴形成。牛頓流體和黏彈性流體在拉伸過程中都會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星液滴，但是黏彈性液體液橋斷裂需要更多的時(shí)間。Castrejón-Pita等揭示了液滴形成過程中表面張力、黏性力以及慣性力的相互影響，有助于闡明衛(wèi)星液滴的形成過程。Sattler等發(fā)現(xiàn)隨著液體內(nèi)高聚物濃度的增加，液絲很難發(fā)生斷裂，液絲表現(xiàn)得如同固體一般，始終保持固定的形狀。Chang等研究了冪律流體射流不穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)表面張力促進(jìn)液體射流的破裂，液體黏性阻礙射流的破裂。Weickgenannt等采用兩塊平行平板研究了牛頓流體液橋的拉伸破裂形態(tài)，揭示了液橋直徑和破裂時(shí)間與平板加速度、液體黏度的關(guān)系，并提出了基于液體表面張力和黏度的液橋直徑變化模型。Lad等的研究結(jié)果表明在外加機(jī)械振動(dòng)作用下液體射流破裂長度顯著減??；在較低的射流速度下，由于聚合物的加入，射流破裂長度增加；在較高的射流速度下，由于射流中湍流的增加，聚合物的影響減小。

液固懸浮液由于固體顆粒的存在，其破裂過程更加復(fù)雜，液體性質(zhì)，顆粒性質(zhì)、粒徑、密度以及濃度等都會(huì)影響到懸浮液破裂過程。Nicolas考察了在重力作用下液固懸浮液射流的不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)（Re）在臨界值以下時(shí)懸浮液是穩(wěn)定的；而當(dāng)雷諾數(shù)大于1時(shí)，射流顆粒將會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象。Furbank等選用硅油以及與其密度相近的顆粒制備液固懸浮液，研究顆粒體積分?jǐn)?shù)和粒徑對(duì)漿體破裂的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒會(huì)抑制衛(wèi)星液滴的形成。Zhao等對(duì)液固懸浮液破裂模式開展研究，闡明破裂過程中的懸浮液階段、過渡階段和純液體階段的各自特性，揭示了懸浮液破裂末期的非均質(zhì)特性，以及在此區(qū)間傳統(tǒng)流體的連續(xù)介質(zhì)模型不成立。Moon等發(fā)現(xiàn)液固懸浮液破裂過程中當(dāng)喉部直徑非常小時(shí)，顆粒開始暴露到液體表面，液絲表面粗糙度增加，顆粒對(duì)破裂最后階段的影響程度要大于破裂初始階段。Harich等分析了含顆粒高聚物溶液的破裂過程，揭示了溶液破裂中顆粒的行為特性，發(fā)現(xiàn)其破裂特征時(shí)間明顯增加。

煤氣化產(chǎn)品可用來制備化學(xué)品、油品、氫氣、燃?xì)夂鸵苯疬€原氣等，用途廣泛。水煤漿氣流床氣化技術(shù)是先進(jìn)煤氣化技術(shù)之一，具有處理量大、碳轉(zhuǎn)化率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑通過物理加工得到的一種煤基流體燃料和氣化原料，是黏度大、流變性復(fù)雜的非牛頓漿體。水煤漿在氣流床氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間僅為秒級(jí)，為了增加氧氣和水煤漿的氣液接觸面積以提高化學(xué)反應(yīng)速率，對(duì)水煤漿破裂特性及機(jī)理的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)霧化模型以連續(xù)介質(zhì)模型為基礎(chǔ)，但在漿體破裂過程中當(dāng)其最小特征直徑接近顆粒尺寸時(shí)漿體將會(huì)呈現(xiàn)出復(fù)雜變化特性，所以對(duì)漿體微觀破裂特性的研究有助于進(jìn)一步揭示漿體霧化機(jī)理和完善仿真模型。

本文以神華煤和華電煤為原料，借助高速相機(jī)觀察了不同濃度下水煤漿的微觀破裂特性，同時(shí)基于水煤漿流變性和動(dòng)態(tài)表面張力獲得了喉部直徑隨時(shí)間變化的關(guān)系式。

1實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中所用煤均為煙煤，分別是神華神優(yōu)2#煤和華電英格瑪原料煤，簡稱為神華煤和華電煤。

首先將破碎好的煤樣在105℃和通風(fēng)條件下烘干2 h，然后放入磨機(jī)研磨30 min，最后在振篩機(jī)上進(jìn)行篩分，得到粗、細(xì)兩種粒級(jí)煤粉，分別稱作粗顆粒和細(xì)顆粒。采用Mastersizer 2000激光粒度儀測(cè)試了煤粉的粗、細(xì)顆粒粒度，分別如表1和圖1所示。制備的粗、細(xì)兩種煤粉顆粒存在著一定的粒度分布，因此選取平均直徑來表示其粒度特性。在燃燒、氣化和噴嘴霧化等應(yīng)用中，常選取索特平均直徑(D32)或德布魯克平均直徑（D43）作為平均直徑。采用干法制漿，配制時(shí)粗、細(xì)煤顆粒的質(zhì)量比為6∶4，分別稱取一定質(zhì)量的烘干后的煤粉和去離子水以及分散劑(煤粉質(zhì)量的1%)，并用攪拌器在1000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下攪拌15 min進(jìn)行制漿。不同濃度的水煤漿會(huì)呈現(xiàn)出不同的黏度和表面張力等特性，這些參數(shù)會(huì)對(duì)水煤漿微觀破裂產(chǎn)生顯著影響，所以本文選擇了實(shí)際氣化生產(chǎn)中常見的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%~62%的水煤漿為研究對(duì)象。

表1煤粉顆粒粒度及水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1煤粉的粗、細(xì)顆粒粒度分布