流体力学在制浆造纸工业中的应用.doc

流体力学在制浆造纸工业中的应用 摘要：流体力学是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科，是力学的一个重要分支，它主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。 根据纤维浓度的高低，可把纸浆分为四类： 浓度 c≤ 0．6％ 时，为极低浓纸浆，具有与水流近似的性质； 浓度 0. 6％ ≤ c ≤ 6％，为低浓纸浆，有一定流动性，可用普通离心泵输送； 浓度6％ ≤ c ≤ 1 5％ ，为中浓纸浆，流动性能大大减弱； 浓度 1 5％ 时，为高浓纸浆，属于粘弹性体． 目前国内的制浆造纸过程多在低浓条件下进行． 对于低浓纸浆，当流速不大时，纤维要交织成连贯的网络，叫网络塞体，纤维之间没有相对运动，整个网络在管内像塞子一样向前滑移，网络与管壁之间存在一层很薄的水膜，叫水环，这种流动称为塞流，如图1 a所示． 随着流速的增大，管壁剪应力的提高，破坏了网络塞体的稳定性，使网络塞体逐渐被分散．进入水环流，水环厚度亦逐渐增大，这个流动区间称为混流，它十分类似于牛顿型流体的过渡流，如图1b所示． 所有研究都证实，一旦网络塞体完全分散时，纸浆流就进入湍流状态，湍流的速度剖面图如图1c所示． 流动特性曲线 目前，在制浆、造纸研究中均用特性曲线来描述纸浆的流动特性． 特性曲线表示了流动压头损失△h 和平均流速u(m，s)的函数关系，如图2所示． 为了便于比较，图中还给出了在同样流动条件下普通水流的特性曲线． 可以看出，在交点H以前的区间，纸浆流动属于塞流状态；从H到F的流动区间属于混流状态；F以后的流动区间属于湍流状态． 从图2中明显看出，在塞流状态下，纸浆的压头损失要比同样流动条件下，普通水流的压头损失大得多；在混流和湍流状态下，压头损失反而比普通水流的小，出现“阻力减小”的现象． 这是纸浆流动最主要的特征． 水环流 塞流中纤维网络与管壁之间的水环是很薄的水膜． 实验研究证明，水环厚度可用下面分式进行预测： 式中 为纤维浓度(％)，“为管内平均流速(m／s)． 由此可见，纤维浓度愈高，水环愈薄，而流速愈高，水环愈厚． 关于水环流本身的机理，例如它对压头损失的影响，是否可以认为是塞流状态下的边界层等，还有待进一步研究。 三．流变学和流体流动特性 流变学是研究材料（物体）在外力作用下产生流动与变形的一门学科，它是研究复杂介质力学性质的新学科。 流变学认为各种物质都具有粘弹性，即既具有粘性又有弹性，其弹性变形符合虎克定律，即变形的大小与受力成正比，而粘度变形不符合虎克定律，当作用力大到一定程度，就会出现粘性流动，甚至可以无限变形。 物质的粘性和弹性在一定条件下发生转换 剪切应力、剪切速率和粘度是流变学研究中的三大要素 以剪切应力与剪切速率作图，从流体的流动特性曲线就可以了解流体的类型。 1.牛顿型流体：剪切应力与剪切速率成正比的流体。 凡服从牛顿定律的流体称为牛顿型流体，或称理想粘性流体， 其流动曲线为直线，即粘度不变，同时粘度为斜率的倒数。粘度：剪切应力与剪切速率的比值。 低分子化合物的液体或溶液，如水、丙酮、苯等属此类流体。 四．.非牛顿型流体及其流动方程式 凡流动时不服从牛顿定律的流体都称为非牛顿型流体，剪切力与剪切速率不成正比，即粘度不是常数。对这类流体来说，剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度。 非牛顿型流体的流变曲线不是直线，而是曲线，其形状随不同流体而异。 （1）塑性流体（Bingham流体） 这种流体受外力时，在屈服点之前不发生流动，只是产生弹性变形，超过屈服点之后变为牛顿型流体。 脂膏、模塑粘土、聚合物、牙膏以及能形成凝胶结构的浓缩聚合物溶液都属于塑性流体。 （2）假塑性流体（拟塑性流体） 这种流体受外力时，在屈服点后（有时屈服点为0）为非牛顿型流体，它的表观粘度是随剪切应力（或剪切速率）的增加而降低（即斜率增加） 这类的物体如橡胶、塑料和大多数聚合物的溶液 （3）胀塑性流体（胀流性流体） 这种流体的表观粘度是随着剪切应力（或剪切速率）的增加而增加的（斜率减小） 涂料、印刷油墨等都属于此种类型 五．.触变性流体 当流体受外力超过屈服点后，流体分子物理结构不断破坏，使粘度不断减小，这种和假塑性流动相似，当剪切力减小时，剪切速率按一个恒定的速率下降，这时形成的直线与上升的曲线形成一环线的回路，称之为滞后回路，有滞后回路的体系即具有触变性。回路的面积大小可表示触变性的大小。 由于非牛顿型流体的涂料都具有时间依赖性，一般都可以说是具有触变性的，属于这类流体的有涂料、淀粉型涂料、微细颜料涂料等。 六．颜料涂布用涂料的流变学特性 颜料涂布用涂料（简称涂料）是颜料和合成树脂胶乳等粒子，分散在可溶性的胶粘剂溶液中，内含各种助剂的复杂