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基于水煤漿流變性和動態(tài)表面張力觀察水煤漿的微觀破裂特性（二）
來源： 華東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） 瀏覽 596 次 發(fā)布時間:2025-07-14
水煤漿的流變特性采用Bohlin CVO型馬爾文旋轉(zhuǎn)流變儀測量。表面張力的測量方法主要有吊片法、液滴-鼓泡法以及微觀界面面積測量法等。本實(shí)驗(yàn)基于液滴-鼓泡法使用SITA science line t100型全自動表面張力儀對煤漿的動態(tài)表面張力進(jìn)行了測量，并與芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的Delta-8全自動高通量表面張力儀的靜態(tài)表面張力進(jìn)行比較。采用液滴-鼓泡法測量動態(tài)表面張力時，將特制毛細(xì)管伸入待測液體，空氣經(jīng)由毛細(xì)管進(jìn)入液體，毛細(xì)管出口氣泡形成外凸，氣泡的半徑也隨之連續(xù)不斷減小。氣泡在液體中受到表面張力的擠壓，氣泡半徑越小，壓力就越大，然后通過測量壓力的變化獲得表面張力。測量動態(tài)表面張力時，通過控制空氣進(jìn)入毛細(xì)管的流量來改變氣泡半徑變化速率，其涉及的特征氣泡時間也稱氣泡壽命，是指在鼓泡過程中從氣泡形成外凸到氣泡半徑達(dá)到最小值的時間間隔。水煤漿破裂實(shí)驗(yàn)中，漿體通過噴嘴滴出，噴嘴內(nèi)徑為4.18 mm。使用Photron Fastcam SA2型高速相機(jī)拍攝水煤漿破裂過程，并使用開源軟件ImageJ分析處理得到的圖片。漿體微觀破裂實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。
圖2漿體微觀破裂實(shí)驗(yàn)示意圖
2結(jié)果與討論
2.1水煤漿的流變特性
黏度、屈服應(yīng)力等水煤漿的流變特性對漿體破裂過程有重要影響。在水煤漿中，煤粉顆粒、分散劑和水形成了相對穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)，此時未被吸附、未參與形成緊密水化膜的自由水分布在這種三維結(jié)構(gòu)的空隙中。這種空間結(jié)構(gòu)在遭受剪切時很容易被破壞，從而導(dǎo)致分布在三維空間結(jié)構(gòu)空隙中的自由水被釋放，黏度降低；同時，剪切應(yīng)力越大，水煤漿的黏度越小，所以水煤漿一般為剪切變稀的假塑性流體。
水煤漿黏度隨剪切速率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，不同條件下水煤漿的黏度隨剪切速率的增加均呈逐漸減小的趨勢，可知實(shí)驗(yàn)水煤漿均為剪切變稀的非牛頓流體。具體而言，在剪切速率小于1 s?1的區(qū)間，水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漿體黏度有顯著影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大漿體黏度越大，且剪切變稀特性明顯；當(dāng)剪切速率大于1 s?1時，水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對漿體黏度的影響相對減弱，且隨著剪切速率的增加，漿體黏度變化較小。所以采用Herschel-Bulkley模型建立了水煤漿流變關(guān)系式：
圖3水煤漿黏度隨剪切速率的變化
式中：是水煤漿黏度（Pa·s），為屈服應(yīng)力（Pa），為剪切速率（s?1），K為稠度系數(shù)（Pa·sn），n為流變指數(shù)。擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)為0.98，擬合參數(shù)見表2。
表2水煤漿的Herschel-Bulkley模型參數(shù)
2.2水煤漿的表面張力特性
表面張力是作用于液體表面，使液體表面積縮小的力，在液體破裂過程中發(fā)揮了重要影響。在液體破裂過程中，純液體的表面張力為常數(shù)，而表面活性劑溶液的表面張力為變量，一般稱為動態(tài)表面張力，其數(shù)值與表面活性劑種類、濃度和界面變形速率等參數(shù)相關(guān)。對于水煤漿等含添加劑的復(fù)雜液固混合物漿體，其動態(tài)表面張力更加復(fù)雜。
不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿表面張力的變化情況如圖4所示?？梢钥闯觯翰煌瑮l件下水煤漿的動態(tài)表面張力變化情況比較一致，隨著特征氣泡時間(t)的增加，動態(tài)表面張力均先減小后增加，在氣泡特征時間為200 ms附近出現(xiàn)最小值；而水煤漿的動態(tài)表面張力與靜態(tài)表面張力存在顯著差異，在氣泡特征時間較小或較大時，動態(tài)表面張力均大于靜態(tài)表面張力。
圖4不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的表面張力變化情況(其中水平線為靜態(tài)表面張力)
從圖4中可以看出，隨著特征氣泡時間的增加，與表面活性劑溶液不同，水煤漿的動態(tài)表面張力呈現(xiàn)了非單調(diào)的變化特性。當(dāng)氣泡變形速度較快即特征氣泡時間小于100 ms時，氣泡膨脹過程越快其受到煤粉顆粒的阻礙作用越大，所以水煤漿的動態(tài)表面張力隨著特征氣泡時間的增加而逐漸減??；當(dāng)氣泡變形速度較慢時，水煤漿中的煤粉顆粒、分散劑和水將會形成相對穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)，氣泡膨脹時需要破壞水煤漿結(jié)構(gòu)，所以動態(tài)表面張力隨著特征氣泡時間的增加而逐漸增大。水煤漿的動態(tài)表面張力與特征氣泡時間的關(guān)系式如式(2)所示，相關(guān)系數(shù)為0.83，由圖5可知水煤漿動態(tài)表面張力的實(shí)驗(yàn)值(Dm,EXP)與擬合值(Dm,pre)吻合較好。
圖5水煤漿動態(tài)表面張力實(shí)驗(yàn)值與擬合值對比