第7节 流体力学在制浆造纸工业中的应用.ppt

1、第七节 流体力学在制浆造纸工业中的应用,第七节 流体力学在造纸工业中的应用 纸浆流动机理 湍流理论在纸页成形中的应用 中浓纸浆的流体化 涂料流变学,一、纸浆流动的机理 造纸的原料是一种纤维悬浮液，在工程上称为纸浆，由浆厂生产。纸浆是固(纤维)、液(水)和少量空气同时存在的三相混台体。影响因素很多，流动机理复杂。对纸浆流动机理的研究成果，直接应用于输送管路系统的设计、纸页成形机理的研究和新设备的研制方面。,1.流动状态 根据纤维浓度的高低，可把纸浆分为四类： 浓度 c 06 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

2、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

3、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

4、行预测： 式中 为纤维浓度()，“为管内平均流速(ms) 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。,2、纸浆输送过程中压头损失的预测方法,3 、湍流理论在纸页成形中的应用 布浆； 整流； 喷射上网； 脱水成形,5.1 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

5、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。,2.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

6、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

7、（斜率减小） 涂料、印刷油墨等都属于此种类型,3.触变性流体 受时间的影响 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。,5.2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悬浮系。

8、涂料总各组分存在着相互作用，由于悬浮粒子高表面能所造成的不稳定性，粒子间存在着凝聚的趋势，从而使悬浮系内存在某种形式的内部结构，甚至形成空间网络状结构。在涂料发生流动变形时，这种内部结构将影响涂料的粘度和流变性。,1.剪切速率与涂料粘度 不同剪切速率下的涂料粘度变化曲线,在低剪切速率下，对不同浓度的悬浮液有两种表现：在浓度很低从而粒子间无相互作用的情况下，体系内的粒子在布朗运动的影响下，呈无序的分散状态，悬浮粒子对流动不构成影响，属于牛顿型流体；在较高浓度下，粒子间的作用增强，形成絮团或网状结构体，这种结构体将具有一定的机械强度，对流动构成阻力，只有当作用高到足以破坏这种结构时，才开始流动。这

9、是将有屈服点。在屈服点之前的低剪切速率下，粘度可视为无穷大。这就是图中虚线所表示的情况。,对于浓度较高的悬浮液，剪切速率进一步提高，增大了的剪切力将使内部结构破坏，从而使流动的阻力减小，粘度下降，而且剪切速率越高，对内部结构的破坏越甚，粘度越下降。这时表现为前述的塑性或假塑性流动，可以称这种因剪切作用而粘度下降的流动现象为“剪切致稀”。,随着剪切速率的提高，被剪切力分散了的粒子，将以流阻最小的方式存在才能获得稳定性，因此，它们将沿着剪切力的方向排列成层状，从而具有最小的流动阻力，而且只要这种排列状态不被破坏，其粘度将稳定不变，因此具有牛顿型流体的特征，此时的粘度是悬浮液本身的牛顿粘度。,当剪切速率进一步增高，使剪切力大到能够破坏这种有序的排列状态，从而使流动阻力增高，即粘度增大，呈现前述的胀流特性，可以称这种因剪切作用而粘度增高的现象为“剪切增稠”。 由上述可见，在不同剪切速率下，涂料的粘度和流动特性是不同的。在实际生产中，在不同的操作过程和不同的设备上，由于相应的剪切速率不同，同一种涂料会表现出不同的适应性。,对于涂料，要了解其全剪切速率下的流动特性，应对0.011000000