乳胶基质流动模型及其温度和速度的分布研究.pdf

2 ∞9 年4 月乳胶基质流动模型及其温度和速度的分布研究徐志祥等 5 乳胶基质流动模型及其温度和速度的分布研究’ 徐志祥叶志文刘大斌胡毅亭卫延安 南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 【摘要] 文章首先对乳胶基质的流动模型进行了确认，试验结果表明乳胶基质的流动属于抽 g l 姗流体；结合 非牛顿流体的动量和能量方程，依据边界条件得出乳胶基质的速度和温度的方程表达式，为乳化炸药基础理论研 究和乳化炸药的生产设备的制造提供参考。 【关键词] 乳胶基质粘度非牛顿流体 [ 分类号] T D l 2 3 5 ．2 l 自美国科学家M A 库克发明了。以水抗水” 的独特思想而形成的w ／O 型乳化炸药以来川，由 于其优良的抗水性及较好的爆炸性能，受到人们的 普遍重视。近年来，乳化炸药无论在生产工艺还是 在生产设备上都取得了长足的发展。然而，近十年 来，国内外发生了多起乳化炸药生产事故，迫切需要 了解更多的乳化炸药的基本性质。 由于乳化炸药本身独特的油包水的结构特点， 决定了乳化炸药在传质、传热等方面的独特性质。 目前，关于乳化炸药流变特性方面的研究相对比较 少，R ．V ．C a r t 丽g h t 【2 】认为它是幂律流体，流动曲线 呈指数关系，而m 咖d 贫Y ．M a l l 【i n 【3 1 将乳胶基质的 流动曲线拟合成C 姗方程来表达，杨仁树等【4 】也 认为在一定的条件下，乳化炸药为幂律流体。所以 目前看来，关于乳胶基质的流动模型尚未真正弄清 其流动特点，还需要更深入、细致地进行研究，而乳 胶基质的传质和传热方面的数学推导则鲜见报道。 乳胶基质的流变特性对于乳胶基质的泵送、冷却等 设备的设计和制造有着重要的意义，对于乳化炸药 的安全生产有着极为重要的价值。 本文研究乳胶基质的流动特性，在此基础上根 据非牛顿流体的动量和能量方程求解乳胶基质的速 度和温度的方程。 l 乳胶基质流动特性研究 1 ．1 试验设备与药品 恒温水浴锅 常州国华仪器设备厂 ，S N B S 粘 度仪 上海尼润智能科技有限公司 ，硝酸铵 工业 级 ，石蜡 工业级 ，s p 名0 工业级 ，硝酸钠 工业 级 。 1 ．2 乳胶基质的制备 1 ．2 ．1 水相的制备 将6 8 ％的硝酸铵、1 3 ％的硝酸钠及1 0 ％的水混 合加热溶解，溶液温度控制在9 0 1 0 0 ℃。 1 ．2 ．2 油相的制备 将5 ．5 ％的石蜡、0 ．5 ％的微晶蜡加热混熔后， 加入2 ％的乳化剂s p 名0 混熔搅拌均匀，温度控制在 9 0 l o o ℃。 1 ．2 ．3 乳化炸药的制备 将已溶解好的水相溶液在3 0s 内加入盛有上 述油相的容器中，并同时开启乳化机，在乳化机 转 速1 5 0 0r ／m i n 的搅拌、剪切作用下，3m i n 后即形成 乳胶基质。 1 ．3 试验结果 为了较准确地了解乳胶基质的流变特性，所选 定设计的配方在不同的温度和不同的转速范围条件 下，测试了乳胶基质的流变特性情况，见图l 。测试 方法见参考文献[ 5 ] 。 点 R 毯 8 氲 图1 剪切应力和剪切速率的关系 此外乳胶基质的粘度除了受温度的影响外；还 收稿日期2 ∞8 - 1 1 ．2 l 作者简介徐志样 1 鲐2 一‘ ，男，博士。主要从事工业炸药配方及安全性研究。E 咀- i l 蛐葩所魄 l ∞．啪 通讯联系人胡毅亭，E m ．i l 蛳血g h a 哑一i l ．咖 万方数据 6 爆破器材E x p l ∞i v eM a t e r i 日1 8 第3 8 卷第2 期 可能受其它因素影响，因此还考察了8 0 ℃、1 ．4 r ／I I l i n 时搅拌时间、剪切速率对乳胶基质的粘度的影响。 见图2 、图3 。 9 罡 ＼ 型 蔫 驴 厶 ＼ 型 舞 搅拌时间／m i n 剪切速翠／s ．一 图3 剪切速率对乳胶基质的粘度的影响 如图l 所示，乳胶基质的流动曲线在很大的范 围内基本可拟合成一条直线，符合B i n g h 啪曲线特 点。从图1 也可以看出温度对乳胶基质流动的影 响，即温度越高，屈服应力f ．值越小；温度越低，屈 服应力值丁，越大。此外，图l 曲线中，8 5 ℃附近的 部分曲线发生重叠，特别是8 0 ℃和8 3 ℃曲线几乎发 生重叠，由于温差不是很大，可能是受转速的影响导 致的结果，温差较大的情况下基本没有出现这样的 问题。另外由图2 、图3 可见，乳胶基质的粘度与搅 拌时间的关系很小，但是受剪切速率的影响很大。 所以认为乳胶基质的流动符合B i n 曲锄曲线特点。 r2 勺 哪7 式中L 屈服应力； 刀，塑性粘度。 f 0 ；o r 0 换成另一种表达式即只7 { r f ． 【彳汀_ 从乳胶基质的流动曲线也可以发现，乳胶基质 只有在克服了起始的屈服应力L 后，流体才开始进 行流动，当低于屈服应力L 时，乳胶基质不能流动， 这基本符合乳化炸药生产实际情况。 2 非牛顿流体动量和能量的模型及基本方程 由于目前在乳化炸药生产过程中．乳胶基质的 传热和传质在很多情况下还是根据经验判断，理论 基础比较少，这势必会给乳化炸药生产设备的设计 和制造带来不便及安全隐患。根据试验确定的乳胶 基质的流动曲线方程，结合非牛顿流体的流动规律 和传热规律，尝试进行了推导。 2 ．1 模型的建立 乳胶基质在半径为R 的水平放置的原管中流 动，压力梯度为卸／衡，管壁恒温为如，流体沿轴向 流动，为了便于讨论，作如下假设 1 流体是充分发展的稳定流动； 2 流体常 物性； 3 壁面无滑移； 4 忽略流体的重力。 2 ．2 平衡关系式 2 ．2 ．1 乳胶基质的受力平衡 作用在一个半径为r 、长为Z 的流体单元圆柱体 上的力平衡，得 2 百由 1 『r 2 卸 r 等 1 r2 i f～lJ 管壁处‰哗 2 式 1 适用于任何与时间无关的流体。 2 ．2 ．2 非牛顿流体的运动方程M 】 非牛顿流体的轴向 石方向 运动方程为 p 【警Ⅵ警 等 叱警】- 一罢 等 告 考 3 对上式进行简化可得 一罢 告 玎。 o 4 式 4 即为一维的非牛顿流体的运动方程。 2 ．2 ．3 能量方程 柱坐标系下非牛顿流体的能量方程简化可得 告 r 口r L 警 5 g ， 一A a ∥a r 6 式中A 导热系数。 2 ．2 ．4 边界条件 根据假设条件，可得边界条件为 r 尺，Ⅱ O ，r n 2 ．3 速度的求解 当r ， 丁 r ，时，将乳胶基质的运动方程代入 式 4 得 詈 告{ 一，【凡 ％ 一警 】 7 万方数据 2 0 0 9 年4 月乳胶基质流动模型及其温度和速度的分布研究徐志祥等 7 利用边界条件解得 口 黑 铲一， 一鱼 R r 8 ．’I l 矿j I l p 管内乳胶基质的平均速度求解 由于管壁处无滑移，半径R 处的速度为0 ，所以 口 2 可e u ，r d r 分部积分得 Q 毕钡丁 9 ％ 善 南∽彬d r ％ 瓮[ 1 - 盎 惫门 1 0 式 8 为乳胶基质的瞬时速度，式 1 0 为乳胶 基质流动的平均速度。当凡 O 时，分别为牛顿流 体流动的瞬时速度和平均速度。 2 ．4 温度分布的求解 将乳胶基质的运动方程代人能量方程式 5 得 一等 r 警 { - [ ％ 吼 害川詈 利用边界条件求得 r ％ 面岳 詈 2 ∥一， 南 詈 骨∽ 1 1 当凡 0 时，该式和牛顿流体的温度分布是一 致的。 3 结论 1 根据试验结果，确认了乳胶基质流动的流 动模型，认为乳胶基质为b i n g l l 锄流体； 2 根据非牛顿流体的动量方程，结合边界条 件，求得乳胶基质的平均速度和瞬时速度表达式； 3 根据非牛顿流体的动量方程，结合边界条 件，求得乳胶基质的温度表达式。 参考文献 [ 1 ] 竹内文雄[ 日] ．乳化炸药[ J ] ．工业火药，1 粥2 ，4 3 5 2 8 5 - 2 9 3 ． 【2 ]R ．V ．C 毗w r i g h t ．m 咖o fE m u K ∞豇出1 6 如瑚- p l l 蒯m e t h o d [ J ] ．P r I 叩龇，酬憎，P y I o t 池 n i ∞，1 9 8 9 ，1 4 5 2 1 5 2 1 8 ． [ 3 】A l 旺a n d 盯Y ，M 衄ne ta 1 ．E 如c to fD I D p I e tS i ∞蛳t h e R h e o l o g i c a lP I o p c r t i ∞0 fI l i g l d y c 佣∞叻哦e dw ／0B 呱1 1 8 i 蛐[ J ] ．酬A c t a ，2 0 0 4 ，4 3 6 5 8 4 5 9 1 ． 【4 ] 杨仁树，李清仁，等．乳化炸药异常流变性与其微观稳 定性的关系[ J ] ．煤炭学报，1 9 9 r 7 ，2 2 2 1 6 0 1 6 4 ． [ 5 ] 周向群，郑峰．乳化炸药流变特性的测试[ J ] ．测试技 术学报，1 9 9 8 ，1 2 4 2 3 2 7 ． 【6 】徐佩弦，等．高聚物流变学及其应用[ M 】．北京化学 工业出版社，2 ∞3 ． 蛐蛐n o wM 硼嘲a n d 肼劬曲u 廿蚰0 fT ．釉坤髓t I 腓a Ⅱdn 髑s u 弛o f 勘枷蜘M a 旬血 X U 捌a I l g ，Y E 出i W e I I ，琊嗽，删№，W ⅢY 衄’彻 N 觚j i I l gu I l i 咖5 i 哆0 fs c i e 眦a n d ‰h 础o g y J 吣uN 蛐j i I l g ，2 1 0 0 9 4 【A B s n lA I 汀]‰n o w 瑚d do f e 蛐l 】暑i 伽m 曲矗i 8 ∞r 1 6 衄e db yt k 刚m e n t 托8 u l 恼i I It h i 8p 印e r ，枷c hi 88 b o W e d t ob eb i 耻 姗“d ．C 叽n b i n i I I gm 锄肌t u m 锄d e n e r g yd 删咖0 fn 加Ⅲ瑚伽阻舢d ，锄p e 舶栅吐蛐dv t 妇i t yd i B n i b u ． 6 蛐e q I l a l i o 啮0 fe m 幽o nm 曲矗w i l lb eo h I h e d ∞c o r d i I I gt ob o u I l d a r y ∞I l d i 妇．枷c ho 矗ha 耐| e 咒I 啪f | o rt l l eb a 日i c t h ∞r yn 8 e a r c h 蛐de q l l i p 啪mp r o d u 甜∞0 f 锄u l s i ∞咄i v e ． [ Ⅺ强w 0 I t D s ] 蜘划西∞Ⅱ埘r i x ，、r i 眈o B i t y ，咖I ．鹏咖i 蛐蹦d 笠箜笠篁笪篁篁笠鲎篁望笠望望望笠笠篁望笪望篁鲨望望笠笠望望笠笪篁望笪篁篁鲎篁篁篁箜篁篁鲨望篁 上接第4 页 S 蚰d 蜥n y 加M I l y s i so fU 地F a c t o 璐卫呵眦to f 瑚嬲t i n gv i b r 酬I o na 脚瓢t e r i s 廿c P 嗣灿白e 瑙B a s e d 佃R 面g hS e t ．n I ∞r y s mx i l n 蚯①，w A N GH l l a i y o n 一，删J i 珊i n g l 船，J I A N Gw e I l j u n 。 ①s c b 砌0 l fR ∞哪e 舶ds 出1 rE l l g ；n e e r i n g ，C 印n 叠1S o u t hu J l i v e 璃i t r H u ’n 舳C h n 萨h ，4 1 0 0 昭 ②T o n g l u s h 皿C 嘴ra n dh 加眦北，D a y eN ∞融舢M e t a l 8c 0 ⅡI p a n y H u 她D a y e ，4 3 5 0 Q 5 [ B s I 姒c T ] 1 地p a p l ri n 咖d u o 豳吐把咖c e P ￡i 叩0 fn ∞喇峨垮p o n d 删i oi n 删曲瞅t l l ∞巧衄dn 增a 咖c 鲥册蛔 咖B 话v i t y 鲫a l y 8 i 6 ．洄8 i 石v i t ya r l a l y 8 i Bm e t l 捌0 ft I l el 如细i m p a c t0 f 乩璩d I I gv i h 玎l d ∞c h a m c t e r i s t i cp 蚰唧e t I 啦b a 8 e d ∞ I 啪- c 讲地8 p o n dr a t i oo f ∞u 咖8 e tt h e o qi Bp u tf 湘a r d ．B a s e d ∞∞a l y 8 i 8o f t l l et e s t e d ‰f 如b l a 8 石n g1 r i b 叫o ni n 孤 o p e n p i tm i I 地，t h e 鹏l l l 扭8 h o wt h a tt l l i sm e t h o dc 蛐m o 他∞c m t e l yi 山皿t i 匆t h er e l a d 咖l l i pb e t w ∞nt h ep r i 眦r ya I l d 孵 o n d 8 r yl 妯，W h i c h 舯丽d e 8aI M 州e 丘训v e 珊B t h o dh t h ef b r ∞啦B t u d y0 f ‰石I l gv i b r “∞c h a r a c t e r i 8 血p 童咖n c t t 粕． 【Ⅺ搿W O R D s ] 姗g h8 dt h 。o 叮，M ∞由唱v i b 髓石叩，曲叫捌抛d d cp a m m e ￡e 曙，柏幛i d v i l y 舢I B l y 8 i | 万方数据