城市原生污水冷熱源污水黏度特性實(shí)驗測試

第38卷第9期合爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報Vol.38 No. 92006年9月JOURNAL OF HARBIN INSTTUTE OF TECHNOLOGYSep. 2006城市原生污水冷熱源污水黏度特性實(shí)驗測試吳榮華，張成虎，孫德興(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱150090, E-mail:shwu122@ 126. com)摘要:城市原生污水的黏度特性是其作為冷熱源應用的關(guān)鍵設計參數.將污水流動(dòng)視為均質(zhì)非牛頓冪律流,基于管式流變儀實(shí)驗基礎,分析層流條件時(shí)表觀(guān)黏度的本構常數實(shí)驗求解式,在素流條件下基于卡門(mén)對數分布與尼古拉茲實(shí)驗,推導平均流速、阻力速度與黏度項的關(guān)聯(lián)式及其計算公式,定義特征黏度與計算雷諾數.在兩種不同流態(tài)下測試污水的表觀(guān)黏度η=2.2 ~8.0x10-* (du/dy)",兩種流態(tài)下表觀(guān)黏度表現出一定的差異.關(guān)鍵詞:城市原生污水;非牛頓流;表觀(guān)黏度;特征黏度中圈分類(lèi)號: TU831.6文獻標識碼: A文章編號: 0367 - 6234(2006)09 - 1492 -04Test on the viscosity of the urban original wastewateras a cool and heat sourceWU Rong-hua, ZHANG Cheng-hu, SUN De-xing(School of Municipal and Enviromental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China,E-mail:shwu122@ 126. com)Abstract: The viscosity of the urban original wastewater is a key parameter of heat exchange when it using ascool & heat source. Using the tube rheometer as the experiment basis, treats the sewage as non-Newtonian ex-ponential homogeneous fluid, and analyzes the viscosity' s special relationship in laminar flow. Based onKurmin logarithm distribution and Nikuradse experiment, the associated formula about the average velocity,resistance velocity and viscosity is obtained，and the characteristic viscosity and characteristic Reynolds ruleare defined. η = 2.2 ~ 8.0 x 10-*(du/dy)0”from the two different states were tested, which have somedifferences. The complicated mixture in the wastewater influenced the viscosity observably, and the originalwastewater shows the shear densenes characteristic.Key words: urban wastewater; non-Newtonian; apparent viscosity ; characteristic viscosity城市原生污水是一種可再生性資源，包括污特性.一般的黏度測試儀均是在層流條件下測水污泥回用和污水熱能資源化為建筑物供暖空試["],由于污水中固相污物的沉積掛壁影響，并調'12].但城市污水含有大量物理化學(xué)污物[)] ,流不能真實(shí)反映實(shí)際管內紊流的黏滯特性，而污水動(dòng)與換熱特性較清水有顯著(zhù)差異,而現有的城市熱能資源化應用尚處于初期階段,對此并未有深污水水質(zhì)參數僅表現在水中的成分特點(diǎn),相關(guān)的人研究,且基于紊流時(shí)的黏度測試也很少見(jiàn)，因流動(dòng)及熱物性參數缺乏,系統設計與運行工況存此,研究用管式流變儀測試紊流時(shí)的表觀(guān)黏度,與在很多不確定因素[.5)。工程應用的實(shí)際情況相同,所得結果對工程設計城市污水的熱物性與流動(dòng)參數最關(guān)鍵的是污具有中國煤化工水的黏度特性(6.7].除溶解性化學(xué)污物外,大量小尺度污物的存在使得污水表現出很強的非牛頓流“TYHCNMH Gt收稿日期: 2004-12 -03.1.1 表觀(guān)黏度基金項目:黑龍江省科技攻關(guān)項目(04CZ1474).對牛頓流體,黏度η為常數,摩擦切應力表示作者簡(jiǎn)介:吳榮華(1976- >),男 ,博士.博士后. .為第9期吳榮華，等:城市原生污水冷熱源污水黏度特性實(shí)驗測試●1493τ = ndu/dy.(1)d-(1.02)對非流頓冪律型流體,摩擦切應力為dz)r=(出)”，(2)令B=(1.2)“=() 0)",則興=-B.則黏度式可表示為直接積分可得到u =-B.。一情+C.η=h(=) .當n = 1時(shí),式(1)、(2)相同,當n > 1時(shí)為當r= R時(shí),u=0,可得C= nBR'+.剪切稠化流體,n < 1時(shí)為剪切稀化流體[9.10].實(shí)于是有驗測試內容即為本構常數k、n值確定u_nB_(R|情-r情.(3)1.2實(shí)驗 系統n+ 1測試采用自制的管式流變儀系統見(jiàn)圖1.測得的平均流速，um = V/tA.對式(3)積分B'C'段為素流測試段,Lg、Lcv> 70 mm x得平均流速為30(人口端影響) ,Lge = 6 m.流量采用體積法測um =-rR2 bu.2trdr= nB(R'7r-2+)dr.試,標準體積桶(O.054 m' )加秒表BC段為層流R2bn+ 1測試段,LAB、LcD > 20 mm x 30(人口端影響) ,LBcnBR'+(4)=4m.流量采用體積法測試,標準體積桶(0.013n+Im' )加秒表.將B=(六. p)"代入式(4)中,得到高位水箱nBR'信溢流管(5)A、3n+1控制閥2由式(5)可得A' B'DN70流量測口.7xp= 3n+1. V(2k)=const=D.控制閥1A BDN20CD污水泵nA.Rl培(6)低位即有t. Op° = const(或i. AH = const).圖1 黏度測試流程圖高位水箱內滿(mǎn)水位,控制閥1.2為流量控制根據實(shí)測的t和Ap數據,可得出污水的流變閥,控制管內流速.污水中不含大尺度污雜物,均物性常數n,將得到的D,n代人式(6)中可得在5 mm以?xún)?該系統用清水進(jìn)行實(shí)驗較合適時(shí)，h=. +-.Rrn)"(7)所的結果誤差在5%以?xún)?具有-定的準確性.2層流測試原理與常數關(guān)系式3層流測試原理與常數關(guān)系式有1.12]非牛頓流與牛頓流的成熟發(fā)展層流管流,均紊流黏性區有τ. =k() ,則有= const, 且=0.出=()",u=()"y+e.dy切應力變化規律為當y =0時(shí),u =0,代人,則c = 0,故有r=(架)專(zhuān)u=(晉)'y.(8)設實(shí)驗測量時(shí)有:流體體積(標準桶)，V(m3 );管道截面積,A(m2);管道半徑,R(m) ;管主論有1112r。 =中國煤化工道長(cháng)度, L (m);流滿(mǎn)時(shí)間, t(s).ρβMYHCNMHG有設污水為非牛頓冪律流,則有r=(出) =-()氣u = jIny +Cr(9)即有設黏性層厚度為δ,由式(8)得黏性層邊緣哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報第38卷流速為度η。,均為非常數.廣義雷諾數Re'實(shí)際是由有效u6 =()8.(10)黏度定義的[9].由于黏性力只在流動(dòng)邊界層起作用,而非牛由式(9)有頓流黏度均與速度梯度有關(guān),在層流邊界層速度u。= iInδ +C.(11)梯度不變,因此,定義層流邊界層黏度為特征黏度η。,相應雷諾數Re"為特征雷諾數.由式(10) (11)聯(lián)立得邊界層速度梯度為照_C1(12),=(到)(17)(到)”則特征黏度η。為將式(12)代人式(9)式中有n./p=(18)u臺(步)”.v.zIny +=將式(17)及壁面切應力與流速關(guān)系帶人式(到)(18),有mn./p=(“出In”),則特征雷諾數可表示為二到)+ C2,(13)Re" =e4峨(臺)v.” β7u(與)用特征雷諾數來(lái)表征流動(dòng)阻力特性時(shí),與牛式(13)與卡門(mén)對數分布具有完全相同形式，頓流體具有完全相同的阻力特性形式，但Re"與-定條件下,流速分布僅與壁面切應力有關(guān),這里阻力系數有關(guān)，因此,定義計算雷諾數Re" ,即按尼古拉茲實(shí)驗取β = 0.4,c2 = 511,12],可理論證實(shí)是正確的.Re" =dun對式(13)求平均流速有(告)由非牛頓冪律流的穩定性值推導得:當Re"R(E)um =”β(14)≤215、Re"≤1 640時(shí),為層流.由式(14)可得5測試數據與計算分析川(青)廣_Bum(βe2-1) = E.5.1 在層流條件下k,n值在層流條件下分別測得Ap與I,見(jiàn)表1.將表。1中的數據組代人到式(6) .(7)得即有InR =n(Inp +E),則k =2.2 x10~*,n = 1.6.其中Re"≤215、Re"≤1 640,為層流T(15)表1層流條件下測試數據e(n管+E)V = 0.01 m' .測試與計算參數In0p/Pa272563:18n=(16)l/s2153300389(In" +日)中國煤化工126 0.106 0.082式(15)、(16)中,k,n 值相互關(guān)聯(lián),因此,至少需_3271317 1 207要兩組以上的實(shí)驗數據分別帶人后聯(lián)合求解.MHCNMHG系侃樂(lè )什1 r;n但在紊流條件下測得數據組見(jiàn)表2.4特征黏度與特征雷諾數非牛頓流體的黏度包括表觀(guān)黏度η與有效黏由于有τ. = (2)號,代人到式(15)、(16)第9期吳榮華，等:城市原生污水冷熱源污水黏度特性實(shí)驗測試●1495中,解得傳熱設計將遠離實(shí)際情況.h = 8.0x10-,n = 1.6.4)實(shí)驗測得污水的切應力本構方程為τ =其中215≤Re" 1640≤Re"為紊流.8.0x10-*(4) ,該特性 與傳熱特性的實(shí)驗研究表2紊流條件下測試數據結果吻合.V = 0.054 m2 ,測試與計算參數0p/Pa16750 8650 3600 1 350670參考文獻:1/s5.17.111.17.9 25. 8[1]龍惟定.試論我國暖通空調業(yè)的可持續發(fā)展[J].暖3.07 2.20 1.42 0.87 0. 60通空調, 2003, 29(3): 23 -25.42003800340030502740[2]趙慶波,單葆國.世界能源需求現狀與展望[J].中國5.3測試結果分析能源, 2002 ,18(2): 18-21.1)在層流條件下,k =2.2x10*,n = 1.6;[3]周彤編.污水回用決策與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)紊流條件下,k = 8.0x10-*,n = 1. 6,兩種結果出版社,2002.表現在k值差異,因為污水中含有大量顆粒狀雜[4] WALKER s. Energy form waste in the sewage treatment物,紊流條件下進(jìn)行了大量參混,而層流則出現沉process[A]. IEE Conference[C]. [s.1]:[s. n.],積,顆粒物的影響顯而易見(jiàn)，由于工程設計為紊流1996.[5] STIJEMSTROM B. Feeding large heating pumps form條件下?lián)Q熱,取k = 8.0x10-*可靠. .sewage water treatment plants[J]. Proceedings of the In-2)從表1 2中數據不難看出,Re"數隨流速變temational Conference on Applications and Efciency of化遲緩，流速由0.6m/s至3m/s時(shí),Re"數由Heat Pump Systems, 1991(3):183 - 192.2740變化到4200,充分顯示了污水流動(dòng)的特殊[6]劉大有.關(guān)于兩相流.多項流、多流體模型和非牛頓性.在傳熱特性實(shí)驗研究中,實(shí)測污水側對流換熱流等概念的探討[J].力學(xué)進(jìn)展, 1994 ,24(1):66 -74.系數隨流速變化緩慢,與Re"數隨流速變化不大[7]王光謙.固液兩相流基本理論及其最新應用[ M].是相符的.北京:科學(xué)出版社,1992.[8] (日)川田裕郎,著(zhù).黏度[M].陳惠刊,譯.北京:中6結論國計量出版社,1991.1)將城市污水視為均質(zhì)流體,將污雜物的存[9]沈崇棠,劉鶴年.非流頓流體力學(xué)及其應用[M].北在歸結到流動(dòng)參數的變化中,主要體現在黏度特京:高等教育出版社, 1999.性,流動(dòng)與換熱問(wèn)題可由單項非牛頓流模型描述.[10]張維佳.冪律型非流頓流體本構常數的測量精度問(wèn)題[J].計量學(xué)報,1994,15(2) :35 -38.2)城市污水中含有大量顆粒物,按單項非牛[1]張維佳,潘大林.工程流體力學(xué)[ M].哈爾濱:黑龍江頓流處理時(shí),只能在紊流條件下測試黏度特性.科學(xué)技術(shù)出版社,2001.3)實(shí)測結果表明,污水黏度與清水有很大差[12]屠大燕.流體力學(xué)、泵與風(fēng)機[ M].北京:建筑工業(yè)出異,除表現非牛頓特性外,由于n = 1.6,偏離牛版社,1994.(編輯劉彤)頓流體很強,因此,以清水特性參數作對比流動(dòng)、(. 上接第1486頁(yè))[12] SUJAYA I N, AMACHI S, YOKOTA A, et al. 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