水煤漿的流變特性采用Bohlin CVO型馬爾文旋轉流變儀測量。表麵張力的測量方法主要有吊片法、液滴-鼓泡法以及微觀界麵麵積測量法等。本實驗基於液滴-鼓泡法使用SITA science line t100型全自動粉色视频黄色网站對煤漿的動態表麵張力進行了測量，並與芬蘭Kibron公司生產的Delta-8全自動高通量粉色视频黄色网站的靜態表麵張力進行比較。采用液滴-鼓泡法測量動態表麵張力時，將特製毛細管伸入待測液體，空氣經由毛細管進入液體，毛細管出口氣泡形成外凸，氣泡的半徑也隨之連續不斷減小。氣泡在液體中受到表麵張力的擠壓，氣泡半徑越小，壓力就越大，然後通過測量壓力的變化獲得表麵張力。測量動態表麵張力時，通過控製空氣進入毛細管的流量來改變氣泡半徑變化速率，其涉及的特征氣泡時間也稱氣泡壽命，是指在鼓泡過程中從氣泡形成外凸到氣泡半徑達到最小值的時間間隔。水煤漿破裂實驗中，漿體通過噴嘴滴出，噴嘴內徑為4.18 mm。使用Photron Fastcam SA2型高速相機拍攝水煤漿破裂過程，並使用開源軟件ImageJ分析處理得到的圖片。漿體微觀破裂實驗示意圖如圖2所示。

圖2漿體微觀破裂實驗示意圖

2結果與討論

2.1水煤漿的流變特性

黏度、屈服應力等水煤漿的流變特性對漿體破裂過程有重要影響。在水煤漿中，煤粉顆粒、分散劑和水形成了相對穩定的三維空間結構，此時未被吸附、未參與形成緊密水化膜的自由水分布在這種三維結構的空隙中。這種空間結構在遭受剪切時很容易被破壞，從而導致分布在三維空間結構空隙中的自由水被釋放，黏度降低；同時，剪切應力越大，水煤漿的黏度越小，所以水煤漿一般為剪切變稀的假塑性流體。

水煤漿黏度隨剪切速率變化的實驗結果如圖3所示，不同條件下水煤漿的黏度隨剪切速率的增加均呈逐漸減小的趨勢，可知實驗水煤漿均為剪切變稀的非牛頓流體。具體而言，在剪切速率小於1 s−1的區間，水煤漿質量分數對漿體黏度有顯著影響，質量分數越大漿體黏度越大，且剪切變稀特性明顯；當剪切速率大於1 s−1時，水煤漿質量分數對漿體黏度的影響相對減弱，且隨著剪切速率的增加，漿體黏度變化較小。所以采用Herschel-Bulkley模型建立了水煤漿流變關係式：

圖3水煤漿黏度隨剪切速率的變化

式中：是水煤漿黏度（Pa·s），為屈服應力（Pa），為剪切速率（s−1），K為稠度係數（Pa·sn），n為流變指數。擬合關係式相關係數為0.98，擬合參數見表2。

表2水煤漿的Herschel-Bulkley模型參數

2.2水煤漿的表麵張力特性

表麵張力是作用於液體表麵，使液體表麵積縮小的力，在液體破裂過程中發揮了重要影響。在液體破裂過程中，純液體的表麵張力為常數，而表麵活性劑溶液的表麵張力為變量，一般稱為動態表麵張力，其數值與表麵活性劑種類、濃度和界麵變形速率等參數相關。對於水煤漿等含添加劑的複雜液固混合物漿體，其動態表麵張力更加複雜。

不同質量分數水煤漿表麵張力的變化情況如圖4所示。可以看出：不同條件下水煤漿的動態表麵張力變化情況比較一致，隨著特征氣泡時間(t)的增加，動態表麵張力均先減小後增加，在氣泡特征時間為200 ms附近出現最小值；而水煤漿的動態表麵張力與靜態表麵張力存在顯著差異，在氣泡特征時間較小或較大時，動態表麵張力均大於靜態表麵張力。

圖4不同質量分數水煤漿的表麵張力變化情況(其中水平線為靜態表麵張力)

從圖4中可以看出，隨著特征氣泡時間的增加，與表麵活性劑溶液不同，水煤漿的動態表麵張力呈現了非單調的變化特性。當氣泡變形速度較快即特征氣泡時間小於100 ms時，氣泡膨脹過程越快其受到煤粉顆粒的阻礙作用越大，所以水煤漿的動態表麵張力隨著特征氣泡時間的增加而逐漸減小；當氣泡變形速度較慢時，水煤漿中的煤粉顆粒、分散劑和水將會形成相對穩定的三維空間結構，氣泡膨脹時需要破壞水煤漿結構，所以動態表麵張力隨著特征氣泡時間的增加而逐漸增大。水煤漿的動態表麵張力與特征氣泡時間的關係式如式(2)所示，相關係數為0.83，由圖5可知水煤漿動態表麵張力的實驗值(Dm,EXP)與擬合值(Dm,pre)吻合較好。

圖5水煤漿動態表麵張力實驗值與擬合值對比