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(shù)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(fā)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(xiàn)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(shù)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(shù)形式變化，其中tp為水煤漿喉部發(fā)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(fā)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(qū)，顆粒直徑在這個尺度區(qū)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(xiàn)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(tài)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(tài)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(shù)包括動態(tài)表面張力、黏度、屈服應力等；在不同煤種和水煤漿質量分數(shù)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(shù)為58%~62%的水煤漿，使用旋轉流變儀、靜/動態(tài)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(shù)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(qū)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(tài)表面張力變化情況比較一致，水煤漿的動態(tài)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(xiàn)最小值；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。

（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(xiàn)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(shù)影響，喉部直徑隨破裂過程特征時間變化表現(xiàn)為冪函數(shù)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(shù)，Pa·sn

N——液滴數(shù)量

n——流變指數(shù)

t——氣泡時間，ms

tp——水煤漿喉部發(fā)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