流體力學(xué)在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用第1頁(yè)，課件共33頁(yè)，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(dòng)機(jī)理湍流理論在紙頁(yè)成形中的應(yīng)用中濃紙漿的流體化涂料流變學(xué)第2頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、紙漿流動(dòng)的機(jī)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(shí)存在的三相混臺(tái)體。影響因素很多，流動(dòng)機(jī)理復(fù)雜。對(duì)紙漿流動(dòng)機(jī)理的研究成果，直接應(yīng)用于輸送管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、紙頁(yè)成形機(jī)理的研究和新設(shè)備的研制方面。第3頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.流動(dòng)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(shí)，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(dòng)性，可用普通離心泵輸送；濃度6％≤c≤15％，為中濃紙漿，流動(dòng)性能大大減弱；濃度>15％時(shí)，為高濃紙漿，屬于粘彈性體．目前國(guó)內(nèi)的制漿造紙過(guò)程多在低濃條件下進(jìn)行．第4頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于低濃紙漿，當(dāng)流速不大時(shí)，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(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)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(dòng)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(jìn)入水環(huán)流，水環(huán)厚度亦逐漸增大，這個(gè)流動(dòng)區(qū)間稱為混流，它十分類似于牛頓型流體的過(guò)渡流，如圖1b所示．所有研究都證實(shí)，一旦網(wǎng)絡(luò)塞體完全分散時(shí)，紙漿流就進(jìn)入湍流狀態(tài)，湍流的速度剖面圖如圖1c所示．第5頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第6頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流動(dòng)特性曲線目前，在制漿、造紙研究中均用特性曲線來(lái)描述紙漿的流動(dòng)特性．特性曲線表示了流動(dòng)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(dòng)條件下普通水流的特性曲線．可以看出，在交點(diǎn)H以前的區(qū)間，紙漿流動(dòng)屬于塞流狀態(tài)；從H到F的流動(dòng)區(qū)間屬于混流狀態(tài)；F以后的流動(dòng)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(dòng)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(dòng)最主要的特征．第7頁(yè)，課件共33頁(yè)，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(shí)驗(yàn)研究證明，水環(huán)厚度可用下面分式進(jìn)行預(yù)測(cè)：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(jī)理，例如它對(duì)壓頭損失的影響，是否可以認(rèn)為是塞流狀態(tài)下的邊界層等，還有待進(jìn)一步研究。第8頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、紙漿輸送過(guò)程中壓頭損失的預(yù)測(cè)方法第9頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第10頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第11頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、湍流理論在紙頁(yè)成形中的應(yīng)用布漿；整流；噴射上網(wǎng)；脫水成形第12頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第14頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第16頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1流變學(xué)和流體流動(dòng)特性流變學(xué)是研究材料（物體）在外力作用下產(chǎn)生流動(dòng)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(rèn)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(huì)出現(xiàn)粘性流動(dòng)，甚至可以無(wú)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(yè)，課件共33頁(yè)，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(dòng)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(dòng)曲線為直線，即粘度不變，同時(shí)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(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.非牛頓型流體及其流動(dòng)方程式凡流動(dòng)時(shí)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(duì)這類流體來(lái)說(shuō)，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(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）塑性流體（Bingham流體）這種流體受外力時(shí)，在屈服點(diǎn)之前不發(fā)生流動(dòng)，只是產(chǎn)生彈性變形，超過(guò)屈服點(diǎn)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(yè)，課件共33頁(yè)，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(shí)，在屈服點(diǎn)后（有時(shí)屈服點(diǎn)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(yè)，課件共33頁(yè)，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?、印刷油墨等都屬于此種類型第24頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.觸變性流體受時(shí)間的影響當(dāng)流體受外力超過(guò)屈服點(diǎn)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(dòng)相似，當(dāng)剪切力減小時(shí)，剪切速率按一個(gè)恒定的速率下降，這時(shí)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?；芈返拿娣e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(shí)間依賴性，一般都可以說(shuō)是具有觸變性的，屬于這類流體的有涂料、淀粉型涂料、微細(xì)顏料涂料等。

第25頁(yè)，課件共33頁(yè)，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(jiǎn)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(shì)，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(dòng)變形時(shí)，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)將影響涂料的粘度和流變性。第26頁(yè)，課件共33頁(yè)，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(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在低剪切速率下，對(duì)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(wú)相互作用的情況下，體系內(nèi)的粒子在布朗運(yùn)動(dòng)的影響下，呈無(wú)序的分散狀態(tài)，懸浮粒子對(duì)流動(dòng)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(qiáng)，形成絮團(tuán)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，這種結(jié)構(gòu)體將具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)流動(dòng)構(gòu)成阻力，只有當(dāng)作用高到足以破壞這種結(jié)構(gòu)時(shí)，才開始流動(dòng)。這是將有屈服點(diǎn)。在屈服點(diǎn)之前的低剪切速率下，粘度可視為無(wú)窮大。這就是圖中虛線所表示的情況。第28頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于濃度較高的懸浮液，剪切速率進(jìn)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(dòng)的阻力減小，粘度下降，而且剪切速率越高，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越甚，粘度越下降。這時(shí)表現(xiàn)為前述的塑性或假塑性流動(dòng)，可以稱這種因剪切作用而粘度下降的流動(dòng)現(xiàn)象為“剪切致稀”。第29頁(yè)，課件共33頁(yè)，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(dòng)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(shí)的粘度是懸浮液本身的牛頓粘度。第30頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)剪切速率進(jìn)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(dòng)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(dòng)特性是不同的。在實(shí)際生產(chǎn)中，在不同的操作過(guò)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(huì)表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。第31頁(yè)，課件共33頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于涂料，要了解其全剪切速率下的流動(dòng)特性，應(yīng)對(duì)0.01～1000000/s的范圍進(jìn)行檢測(cè)?？煞?/p>