液體通過噴嘴產(chǎn)生的射流可以將連續(xù)相的大范圍液體霧化成大量分散的小液滴，使氣液接觸面積快速增加，從而有效強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱和化學(xué)反應(yīng)，所以液體射流破裂在能源化工、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

自Rayleigh和Weber等采用不穩(wěn)定理論研究液體射流破裂以來，液體射流破裂受到廣泛關(guān)注。Reitz發(fā)現(xiàn)射流不穩(wěn)定波最大增長率為表面張力相關(guān)函數(shù)。Eggers匯總了液滴自由表面流動(dòng)隨時(shí)間變化形態(tài)的研究，包括低黏度流體破裂中不同時(shí)間尺度的變化規(guī)律。Anna等研究了液體黏彈性對液滴形成過程中喉部直徑的變化以及對液橋斷裂時(shí)間的影響，并通過多模式模型預(yù)測瞬時(shí)直徑形態(tài)的發(fā)展變化。Tirtaatmadja等發(fā)現(xiàn)在黏彈性流體破裂過程中，即使在低濃度條件下彈性的作用也遠(yuǎn)大于黏性，并提出了基于魏森伯格數(shù)的黏彈性流體破裂特征方程。Bhat等研究了黏彈性液絲的串珠結(jié)構(gòu)，液體的黏彈性會(huì)阻礙液絲發(fā)生破裂，從而促使更多的小液滴形成。牛頓流體和黏彈性流體在拉伸過程中都會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星液滴，但是黏彈性液體液橋斷裂需要更多的時(shí)間。Castrejón-Pita等揭示了液滴形成過程中表面張力、黏性力以及慣性力的相互影響，有助于闡明衛(wèi)星液滴的形成過程。Sattler等發(fā)現(xiàn)隨著液體內(nèi)高聚物濃度的增加，液絲很難發(fā)生斷裂，液絲表現(xiàn)得如同固體一般，始終保持固定的形狀。Chang等研究了冪律流體射流不穩(wěn)定性問題，發(fā)現(xiàn)表面張力促進(jìn)液體射流的破裂，液體黏性阻礙射流的破裂。Weickgenannt等采用兩塊平行平板研究了牛頓流體液橋的拉伸破裂形態(tài)，揭示了液橋直徑和破裂時(shí)間與平板加速度、液體黏度的關(guān)系，并提出了基于液體表面張力和黏度的液橋直徑變化模型。Lad等的研究結(jié)果表明在外加機(jī)械振動(dòng)作用下液體射流破裂長度顯著減小；在較低的射流速度下，由于聚合物的加入，射流破裂長度增加；在較高的射流速度下，由于射流中湍流的增加，聚合物的影響減小。

液固懸浮液由于固體顆粒的存在，其破裂過程更加復(fù)雜，液體性質(zhì)，顆粒性質(zhì)、粒徑、密度以及濃度等都會(huì)影響到懸浮液破裂過程。Nicolas考察了在重力作用下液固懸浮液射流的不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)（Re）在臨界值以下時(shí)懸浮液是穩(wěn)定的；而當(dāng)雷諾數(shù)大于1時(shí)，射流顆粒將會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象。Furbank等選用硅油以及與其密度相近的顆粒制備液固懸浮液，研究顆粒體積分?jǐn)?shù)和粒徑對漿體破裂的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒會(huì)抑制衛(wèi)星液滴的形成。Zhao等對液固懸浮液破裂模式開展研究，闡明破裂過程中的懸浮液階段、過渡階段和純液體階段的各自特性，揭示了懸浮液破裂末期的非均質(zhì)特性，以及在此區(qū)間傳統(tǒng)流體的連續(xù)介質(zhì)模型不成立。Moon等發(fā)現(xiàn)液固懸浮液破裂過程中當(dāng)喉部直徑非常小時(shí)，顆粒開始暴露到液體表面，液絲表面粗糙度增加，顆粒對破裂最后階段的影響程度要大于破裂初始階段。Harich等分析了含顆粒高聚物溶液的破裂過程，揭示了溶液破裂中顆粒的行為特性，發(fā)現(xiàn)其破裂特征時(shí)間明顯增加。

煤氣化產(chǎn)品可用來制備化學(xué)品、油品、氫氣、燃?xì)夂鸵苯疬€原氣等，用途廣泛。水煤漿氣流床氣化技術(shù)是先進(jìn)煤氣化技術(shù)之一，具有處理量大、碳轉(zhuǎn)化率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑通過物理加工得到的一種煤基流體燃料和氣化原料，是黏度大、流變性復(fù)雜的非牛頓漿體。水煤漿在氣流床氣化爐內(nèi)的停留時(shí)間僅為秒級，為了增加氧氣和水煤漿的氣液接觸面積以提高化學(xué)反應(yīng)速率，對水煤漿破裂特性及機(jī)理的研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)霧化模型以連續(xù)介質(zhì)模型為基礎(chǔ)，但在漿體破裂過程中當(dāng)其最小特征直徑接近顆粒尺寸時(shí)漿體將會(huì)呈現(xiàn)出復(fù)雜變化特性，所以對漿體微觀破裂特性的研究有助于進(jìn)一步揭示漿體霧化機(jī)理和完善仿真模型。

本文以神華煤和華電煤為原料，借助高速相機(jī)觀察了不同濃度下水煤漿的微觀破裂特性，同時(shí)基于水煤漿流變性和動(dòng)態(tài)表面張力獲得了喉部直徑隨時(shí)間變化的關(guān)系式。

1實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中所用煤均為煙煤，分別是神華神優(yōu)2#煤和華電英格瑪原料煤，簡稱為神華煤和華電煤。

首先將破碎好的煤樣在105℃和通風(fēng)條件下烘干2 h，然后放入磨機(jī)研磨30 min，最后在振篩機(jī)上進(jìn)行篩分，得到粗、細(xì)兩種粒級煤粉，分別稱作粗顆粒和細(xì)顆粒。采用Mastersizer 2000激光粒度儀測試了煤粉的粗、細(xì)顆粒粒度，分別如表1和圖1所示。制備的粗、細(xì)兩種煤粉顆粒存在著一定的粒度分布，因此選取平均直徑來表示其粒度特性。在燃燒、氣化和噴嘴霧化等應(yīng)用中，常選取索特平均直徑(D32)或德布魯克平均直徑（D43）作為平均直徑。采用干法制漿，配制時(shí)粗、細(xì)煤顆粒的質(zhì)量比為6∶4，分別稱取一定質(zhì)量的烘干后的煤粉和去離子水以及分散劑(煤粉質(zhì)量的1%)，并用攪拌器在1000 r/min的轉(zhuǎn)速條件下攪拌15 min進(jìn)行制漿。不同濃度的水煤漿會(huì)呈現(xiàn)出不同的黏度和表面張力等特性，這些參數(shù)會(huì)對水煤漿微觀破裂產(chǎn)生顯著影響，所以本文選擇了實(shí)際氣化生產(chǎn)中常見的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%~62%的水煤漿為研究對象。

表1煤粉顆粒粒度及水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1煤粉的粗、細(xì)顆粒粒度分布