2.3水煤漿的微觀破裂特性

與純液體不同，由于漿體液固混合物流變性和屈服應力等參數的影響，漿體破裂過程更加復雜。在漿體破裂末期，當水煤漿液橋的喉部直徑(Dm，如圖6所示)尺寸很小時，固體顆粒將會發揮顯著影響。典型水煤漿破裂實驗照片如圖7所示，由于微觀破裂條件下液固出現部分分離，煤粉顆粒在液橋喉部附近凸出氣液界面，使得原本光滑的水煤漿表面逐漸粗糙，其變化特性與水煤漿黏度、表面張力和屈服應力等參數密切相關。

圖6水煤漿喉部直徑示意圖

圖7典型水煤漿破裂實驗照片（w=60%，華電煤）

利用Imagej圖像處理軟件對液橋喉部直徑的變化情況進行了測量，重復3次后的實驗測量結果如圖8所示。

圖8水煤漿喉部直徑隨時間變化關系（不同顏色表示不同實驗結果）

由圖8可知，喉部直徑隨破裂過程特征時間(tp?t)呈冪函數形式變化，其中tp為水煤漿喉部發生破裂的時間，tr為實際時間。結合圖7和圖8分析可知，在水煤漿破裂初始階段，漿體界面仍比較光滑。隨著破裂的發展，當喉部直徑收縮至2 mm左右（10倍顆粒直徑）時，可以認為是進入了微觀破裂區，顆粒直徑在這個尺度區間對流體的影響較大，會阻礙流體的流動和變形，此時漿體界面會粗糙不平，浮現出固體顆粒。

在水煤漿破裂過程中，隨著液橋喉部直徑的減小，其變形速率加快。喉部的剪切速率(r)與局部水煤漿速度梯度(du/dy)有關，其關系可以近似表示為

(3)

借鑒文獻中對黏性流體喉部破裂的研究結果，有如下關系式：

(4)

公式（4）是文獻基于Navier-Stokes方程推導出的黏性流體破裂的理論模型，為了增強其適用性，本文通過水煤漿流變性和動態表面張力修正，使其適用于水煤漿微觀破裂。通過分析水煤漿破裂實驗結果，采用式（3）計算漿體喉部剪切速率，結合水煤漿流變性（式（1））和動態表面張力（式（2）），最終獲得擬合關系式如下：

(5)

圖9所示為不同條件下水煤漿喉部直徑實驗值(Dm,EXP)和擬合值(Dm,pre)對比。從式（5）和圖9可以看出：影響水煤漿喉部破裂特性的主要參數包括動態表面張力、黏度、屈服應力等；在不同煤種和水煤漿質量分數條件下，水煤漿破裂末期的喉部直徑變化趨勢保持一致，表明水煤漿微觀破裂過程具有一定的相似特性。

圖9不同條件下水煤漿喉部直徑實驗值與擬合值對比

3結論

以神華煤和華電煤為煤種制備了質量分數為58%~62%的水煤漿，使用旋轉流變儀、靜/動態表面張力儀、高速攝像機和圖像處理軟件等研究了水煤漿理化參數對其微觀破裂過程的影響，得到的主要結論如下：

（1）所制備的水煤漿均為剪切變稀的非牛頓流體。在剪切速率小于1 s?1區間，水煤漿濃度對漿體黏度有顯著影響，濃度越大漿體黏度越大，且剪切變稀特性明顯；當剪切速率大于1 s?1時，水煤漿濃度對漿體黏度影響相對減弱，且隨著剪切速率的增加，漿體黏度變化較小。采用Herschel-Bulkley模型建立了水煤漿流變關系式為：

（2）不同煤種和濃度條件下水煤漿的動態表面張力變化情況比較一致，水煤漿的動態表面張力隨著特征氣泡時間的增加先減小后增加，在氣泡特征時間200 ms附近出現最小值；水煤漿的動態表面張力與靜態表面張力存在顯著差異，在氣泡特征時間較小或較大時，動態表面張力均大于靜態表面張力。

（3）在水煤漿微觀破裂過程中，當破裂末期喉部直徑很小時，會出現煤粉顆粒和液體的部分分離，顆粒在液橋喉部附近凸出氣液界面，使得原本光滑的水煤漿表面逐漸粗糙。水煤漿喉部直徑變化主要受到漿體黏度、表面張力和屈服應力等參數影響，喉部直徑隨破裂過程特征時間變化表現為冪函數形式，其表達式為

符號說明：

D——液滴直徑，μm

Dm——喉部直徑，mm

D32——索特平均直徑，μm

D43——德布魯克平均直徑，μm

——速度梯度，s?1

K——稠度系數，Pa·sn

N——液滴數量

n——流變指數

t——氣泡時間，ms

tp——水煤漿喉部發生破裂時刻，ms

——水煤漿黏度，Pa·s

——屈服應力，Pa

——剪切速率，s?1

σ——液體表面張力，mN/m