污泥流变特性、壁面滑移及流动阻力特性研究

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污泥长距离管道输送具有污染少,能耗低,效率高和安全可靠等优点,但是污泥作为高浓度黏稠物料,其长距离管道输送有许多技术还很滞后,许多方面还需深入研究。高浓度黏稠物料的流变特性是管道输送工艺设计和运行不可缺少的基本参数,本文基于此,利用流变仪和小型污泥管道试验装置开展了有关污泥流变特性、壁面滑移、直管内流动阻力特性等方面的研究。  用旋转流变仪对污泥流变特性进行研究,通过改变温度和含水率并采用Carreau-Bird模型对污泥流变数据进行拟合处理。污泥在不同含水率下随着剪切速率的增加,流变由屈服假塑性流体向宾汉流体转化,污泥黏度逐渐变小,表现出剪切变稀现象。表观黏度与污泥的输送密切相关,含水率大于81.3%时,表观黏度较低,适于远距离泵送。Carreau-Bird模型对污泥流变曲线拟合处理的较好,零剪切黏度随温度变化非常大,无穷大剪切黏度随含水率变化比较小,时间常数随含水率的降低而变小。  用旋转流变仪研究了污泥的壁面滑移,根据剪切应力/应变曲线的间距依赖性,研究了影响壁面滑移的可能因素。稳态剪切表明,浓度和温度是污泥产生滑移的重要因素。动态剪切试验中,分析了应力总波形,随后进行不同角频率、温度在三种间距下的应变扫描,可以看到不同角频率下剪切应力曲线在线性和非线性区刚开始时几乎重合在一起,随着剪切应力增大,在非线性区出现了分叉,分叉点处应变和相应的剪切应力是不恒定的,这表明壁面滑移与角频率、应变等因素有关。在对污泥动态剪切曲线分析时,发现在一定时间内滑移现象发生了,剪切速率扫描曲线随着速率的增大,表现出一定的黏弹性,同时在角频率为低、中、高频三种情况下对应变进行扫描,发现存在一个无量纲参数τ′/|G*|,即弹性应力与线性区复数模量的比值,该参数随着角频率的增大而缓慢下降,这表明时间对污泥壁面滑移有一定的影响,其中弹性应力起了主要作用。  不同的材质夹具对试验结果影响是不同的,材质不同,滑移速度不同。壁面滑移随着表面吸附的增强而减弱,一般滑移程度可以用滑移长度和滑移速度来衡量,试验表明,滑移速度是不锈钢>黄铜>铝。在毛细管流变仪试验中,含水率81.3%的脱水污泥在室温25℃情况下同HDPE型的熔体表现出了近似的规律,也会存在粘着区、振荡区、滑动区和扰乱区,这与污泥的黏性及成分有极大关系。采用毛细管流变仪并应用经典的Mooney法对污泥壁面滑移速度进行了测量,发现污泥在温度25℃、30℃和35℃发生壁面滑移时其滑移速度值都比较小,并且随着温度升高,污泥渐趋稀化,滑移速度也有所提高。剪切应力的增加也对滑移有很大影响,在一定剪切速率下,污泥在去除壁面滑移影响后的剪切应力要大于实际试验所测的剪切应力。  在小型污泥直管中,污泥管内流动受到流量、含水率、管径和停滞时间等因素的影响。相同流量下,管径越大,管道输送压力损失就越小,随着流量的增大,管道输送压力损失越大。流量对管道输送压力损失的影响随着含水率的的增大随之减小,管径越大,管道输送压力损失就越小。污泥在停滞一段时间后,黏性增加,停滞时间越长,重新启动压力就越大,但当压力达到一定峰值后阻力会逐渐趋于稳定。  基于均质非牛顿流体模型对污泥在直管内流动阻力进行了数值模拟,获得了污泥直管内流动规律。模拟计算中考虑了有无滑移两种情况下的不同流速、不同含水率、不同管径对阻力的影响,并对管内流动进行了速度场分析。污泥的流速对污泥的阻力损失影响变化非常大,当流速一定时,管内压力沿管路沿线分布呈逐渐递减的变化趋势,而且近似呈线性变化规律。污泥含水率对污泥阻力影响也很大,含水率越高,管内沿程阻力就越小。管径是污泥在管道输送过程中的关键参数,其对摩擦阻力损失有着重要的影响,随着管径的增大,摩擦阻力损失会变小。
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