流體力學(xué)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

流體力學(xué)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第七節(jié)流體力學(xué)在造紙工業(yè)中的應(yīng)用紙漿流動機理湍流理論在紙頁成形中的應(yīng)用中濃紙漿的流體化涂料流變學(xué)第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、紙漿流動的機理造紙的原料是一種纖維懸浮液，在工程上稱為紙漿，由漿廠生產(chǎn)。紙漿是固(纖維)、液(水)和少量空氣同時存在的三相混臺體。影響因素很多，流動機理復(fù)雜。對紙漿流動機理的研究成果，直接應(yīng)用于輸送管路系統(tǒng)的設(shè)計、紙頁成形機理的研究和新設(shè)備的研制方面。第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.流動狀態(tài)根據(jù)纖維濃度的高低，可把紙漿分為四類：濃度c≤0．6％時，為極低濃紙漿，具有與水流近似的性質(zhì)；濃度0.6％≤c≤6％，為低濃紙漿，有一定流動性，可用普通離心泵輸送；濃度6％≤c≤15％，為中濃紙漿，流動性能大大減弱；濃度>15％時，為高濃紙漿，屬于粘彈性體．目前國內(nèi)的制漿造紙過程多在低濃條件下進行．第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月對于低濃紙漿，當(dāng)流速不大時，纖維要交織成連貫的網(wǎng)絡(luò)，叫網(wǎng)絡(luò)塞體，纖維之間沒有相對運動，整個網(wǎng)絡(luò)在管內(nèi)像塞子一樣向前滑移，網(wǎng)絡(luò)與管壁之間存在一層很薄的水膜，叫水環(huán)，這種流動稱為塞流，如圖1a所示．隨著流速的增大，管壁剪應(yīng)力的提高，破壞了網(wǎng)絡(luò)塞體的穩(wěn)定性，使網(wǎng)絡(luò)塞體逐漸被分散．進入水環(huán)流，水環(huán)厚度亦逐漸增大，這個流動區(qū)間稱為混流，它十分類似于牛頓型流體的過渡流，如圖1b所示．所有研究都證實，一旦網(wǎng)絡(luò)塞體完全分散時，紙漿流就進入湍流狀態(tài)，湍流的速度剖面圖如圖1c所示．第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月流動特性曲線目前，在制漿、造紙研究中均用特性曲線來描述紙漿的流動特性．特性曲線表示了流動壓頭損失△h和平均流速u(m，s)的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示．為了便于比較，圖中還給出了在同樣流動條件下普通水流的特性曲線．可以看出，在交點H以前的區(qū)間，紙漿流動屬于塞流狀態(tài)；從H到F的流動區(qū)間屬于混流狀態(tài)；F以后的流動區(qū)間屬于湍流狀態(tài)．從圖2中明顯看出，在塞流狀態(tài)下，紙漿的壓頭損失要比同樣流動條件下，普通水流的壓頭損失大得多；在混流和湍流狀態(tài)下，壓頭損失反而比普通水流的小，出現(xiàn)“阻力減小”的現(xiàn)象．這是紙漿流動最主要的特征．第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月水環(huán)流塞流中纖維網(wǎng)絡(luò)與管壁之間的水環(huán)是很薄的水膜．實驗研究證明，水環(huán)厚度可用下面分式進行預(yù)測：式中為纖維濃度(％)，“為管內(nèi)平均流速(m／s)．由此可見，纖維濃度愈高，水環(huán)愈薄，而流速愈高，水環(huán)愈厚．關(guān)于水環(huán)流本身的機理，例如它對壓頭損失的影響，是否可以認為是塞流狀態(tài)下的邊界層等，還有待進一步研究。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2、紙漿輸送過程中壓頭損失的預(yù)測方法第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3、湍流理論在紙頁成形中的應(yīng)用布漿；整流；噴射上網(wǎng)；脫水成形第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1流變學(xué)和流體流動特性流變學(xué)是研究材料（物體）在外力作用下產(chǎn)生流動與變形的一門學(xué)科，它是研究復(fù)雜介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的新學(xué)科。流變學(xué)認為各種物質(zhì)都具有粘彈性，即既具有粘性又有彈性，其彈性變形符合虎克定律，即變形的大小與受力成正比，而粘度變形不符合虎克定律，當(dāng)作用力大到一定程度，就會出現(xiàn)粘性流動，甚至可以無限變形。物質(zhì)的粘性和彈性在一定條件下發(fā)生轉(zhuǎn)換剪切應(yīng)力、剪切速率和粘度是流變學(xué)研究中的三大要素第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月以剪切應(yīng)力與剪切速率作圖，從流體的流動特性曲線就可以了解流體的類型。1.牛頓型流體：剪切應(yīng)力與剪切速率成正比的流體。凡服從牛頓定律的流體稱為牛頓型流體，或稱理想粘性流體，其流動曲線為直線，即粘度不變，同時粘度為斜率的倒數(shù)。粘度：剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。低分子化合物的液體或溶液，如水、丙酮、苯等屬此類流體。第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2.非牛頓型流體及其流動方程式凡流動時不服從牛頓定律的流體都稱為非牛頓型流體，剪切力與剪切速率不成正比，即粘度不是常數(shù)。對這類流體來說，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值稱為表觀粘度。非牛頓型流體的流變曲線不是直線，而是曲線，其形狀隨不同流體而異。第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）塑性流體（Bingham流體）這種流體受外力時，在屈服點之前不發(fā)生流動，只是產(chǎn)生彈性變形，超過屈服點之后變?yōu)榕ｎD型流體。脂膏、模塑粘土、聚合物、牙膏以及能形成凝膠結(jié)構(gòu)的濃縮聚合物溶液都屬于塑性流體。

第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）假塑性流體（擬塑性流體）這種流體受外力時，在屈服點后（有時屈服點為0）為非牛頓型流體，它的表觀粘度是隨剪切應(yīng)力（或剪切速率）的增加而降低（即斜率增加）這類的物體如橡膠、塑料和大多數(shù)聚合物的溶液第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）脹塑性流體（脹流性流體）這種流體的表觀粘度是隨著剪切應(yīng)力（或剪切速率）的增加而增加的（斜率減?。┩苛稀⒂∷⒂湍榷紝儆诖朔N類型第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3.觸變性流體受時間的影響當(dāng)流體受外力超過屈服點后，流體分子物理結(jié)構(gòu)不斷破壞，使粘度不斷減小，這種和假塑性流動相似，當(dāng)剪切力減小時，剪切速率按一個恒定的速率下降，這時形成的直線與上升的曲線形成一環(huán)線的回路，稱之為滯后回路，有滯后回路的體系即具有觸變性。回路的面積大小可表示觸變性的大小。由于非牛頓型流體的涂料都具有時間依賴性，一般都可以說是具有觸變性的，屬于這類流體的有涂料、淀粉型涂料、微細顏料涂料等。

第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2顏料涂布用涂料的流變學(xué)特性顏料涂布用涂料（簡稱涂料）是顏料和合成樹脂膠乳等粒子，分散在可溶性的膠粘劑溶液中，內(nèi)含各種助劑的復(fù)雜懸浮系。涂料總各組分存在著相互作用，由于懸浮粒子高表面能所造成的不穩(wěn)定性，粒子間存在著凝聚的趨勢，從而使懸浮系內(nèi)存在某種形式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至形成空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。在涂料發(fā)生流動變形時，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)將影響涂料的粘度和流變性。第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.剪切速率與涂料粘度不同剪切速率下的涂料粘度變化曲線第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在低剪切速率下，對不同濃度的懸浮液有兩種表現(xiàn)：在濃度很低從而粒子間無相互作用的情況下，體系內(nèi)的粒子在布朗運動的影響下，呈無序的分散狀態(tài)，懸浮粒子對流動不構(gòu)成影響，屬于牛頓型流體；在較高濃度下，粒子間的作用增強，形成絮團或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，這種結(jié)構(gòu)體將具有一定的機械強度，對流動構(gòu)成阻力，只有當(dāng)作用高到足以破壞這種結(jié)構(gòu)時，才開始流動。這是將有屈服點。在屈服點之前的低剪切速率下，粘度可視為無窮大。這就是圖中虛線所表示的情況。第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月對于濃度較高的懸浮液，剪切速率進一步提高，增大了的剪切力將使內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，從而使流動的阻力減小，粘度下降，而且剪切速率越高，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越甚，粘度越下降。這時表現(xiàn)為前述的塑性或假塑性流動，可以稱這種因剪切作用而粘度下降的流動現(xiàn)象為“剪切致稀”。第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著剪切速率的提高，被剪切力分散了的粒子，將以流阻最小的方式存在才能獲得穩(wěn)定性，因此，它們將沿著剪切力的方向排列成層狀，從而具有最小的流動阻力，而且只要這種排列狀態(tài)不被破壞，其粘度將穩(wěn)定不變，因此具有牛頓型流體的特征，此時的粘度是懸浮液本身的牛頓粘度。第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)剪切速率進一步增高，使剪切力大到能夠破壞這種有序的排列狀態(tài)，從而使流動阻力增高，即粘度增大，呈現(xiàn)前述的脹流特性，可以稱這種因剪切作用而粘度增高的現(xiàn)象為“剪切增稠”。由上述可見，在不同剪切速率下，涂料的粘度和流動特性是不同的。在實際生產(chǎn)中，在不同的操作過程和不同的設(shè)備上，由于相應(yīng)的剪切速率不同，同一種涂料會表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。第31頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月對于涂料，要了解其全剪切速率下的流動特性，應(yīng)對0.01～1000000/s的范圍進行檢測?？煞?/p>