加压管式流变测试系统的设计

　　1　引　　言

　　工业生产过程中产生的高粘度、高含固量固液两相混合废弃物种类繁多、数量巨大[1],如煤炭行业原生煤泥,给排水行业脱水污泥,制造行业工业污泥,造纸行业造纸废渣、造纸污泥,石化行业油渣、油泥,有色金属行业的赤泥等工业固体废弃物,还有制糖业的糖渣和酿酒业的酒糟等,涉及20余个产业与行业。为减少对环境的危害,这些废弃物大都要进行资源化、无害化处置,但无论采用何种处置方法,废弃物的环保型专用输送设备必不可少,管道输送以其不可替代的优势称为输送上述物料的首选方式。

　　采用管道输送上述高粘度、高含固量的流动性差的废弃物,属于固体管道输送技术,又是综合性交叉技术,涉及流体力学、流变学、固液两相流等多门学科。已开展的相关研究包括管道压力测试、旋转流变仪的研制等[2-5]。其中流变特性和流变参数的确定是进行工程管道输送设计的前提。基于此,本文针对上述特性的物料设计了加压管式流变实验台,基于管流法的流变测试原理,模拟被输送介质在管道中真实的流动状态和受力状态,测试其流变特性并确定流变参数,为高浓度工业废弃物管道输送工业应用提供设计依据,为研究固液两相流的运动规律和形成机理提供实验手段[6]。

　　2　设计原理

　　均匀流动方程τW=(ΔpR)/(2L)=(ΔpD)/(4L),给出了所有非时变性粘性流体的管壁切应力τW和压降Δp的关系,对于牛顿流体,其管壁的剪切速率为γ·W=(8ν)/D,因此建立了管壁切应力τW和管壁剪切速率γ·W,即(ΔpD)/(4L)和(8ν)/D之间的关系,就可以找出牛顿流体的本构关系,画出流动曲线,得出本构方程的一般表达式,进而求出圆管层流的流速分布、流量及压降等。但是对非牛顿流体而言,管壁剪切速率γ·W不等于8ν/D,但与其有关,因此称8νD为流动特征值或虚剪切速率[6]。

　　对所有的非时变性粘性流体,均有式(1)成立:

　　由式(2)可知,在(ΔpD)/(4L)和8ν/D的坐标系统中,对同一种流体,实点将全落在同一条曲线上。将式(2)改写成如式(3)所示:

　　式(6)即为罗宾诺维奇-莫纳方程,是非时变性粘性流体管壁剪切速率的一般表达式。

　　若n′为常数,则式(5)积分可得:

　　对牛顿流体而言,n′=1,k′=μ;对幂律流体而言,n′=n,k′=k[(1+3n)/4n]n。式(7)适用于不同流体,只是k′、n′不同而已[7-8]。

　　这种形式的方程用作管流计算十分方便,只需实测流量Q和相应的压降Δp,整理成(ΔpD)/(4L)和8ν/D两组数据即可进行相应计算并确定流变特性。

　　3　设计与实现

　　3.1　设计方案

　　上面介绍的通过管流法确定非牛顿流体流变特性的方法可知,只需实测流量Q和相应直管段的压降Δp,整理成(ΔpD)/(4L)和8ν/D两组数据即可进行相应计算,即可确定实验物料的流变特性。因此设计小型加压管式流变实验台,通过测试量Q和相应直管段的压降Δp来实验流变参数的测试。