流体力学在制浆造纸工业中的应用 - 图文

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。

本文主要以在制浆造纸工业中流体力学的应用为例，探讨这一学科在生产中的应用。

关键词：制浆造纸 流体力学 生产应用

一．前言

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。

二．.流动状态

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悬浮系。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0.01～1000000/s的范围进行检测。可分为三个阶段：

低剪切速率区：0.1-1000/s，为涂料的输送、泵送及混合操作，其历时较长，约几秒至几分。

高剪切速率区：1000－100000/s，为气刀、刮棒等涂布操作，历时为几个毫秒。 超高剪切速率区：100000以上，为计量辊、刮刀涂布等操作，历时为几个微秒。

结论：我国改革开发后，经济迅速发展，而将流体力学这一经典的力学分支运用到实践中，

创造社会价值，同时促进其不断发展，不断成熟，成为一门完善的学科。 参考文献：

[1]周光炯.流体力学[M].北京：高等教育出版社，2000

[2]龙天渝，蔡增基.流体力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2004 [3]刘鹤年.水力学[M].北京：中国建筑工业出版社，1998

[4]朱圣光，夏欣.纸浆模具工艺与技术[M].北京：机械出版社，2007

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