第38卷第9期合爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)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(yàn)測(cè)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(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù).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(yàn)基礎(chǔ),分析層流條件時(shí)表觀黏度的本構(gòu)常數(shù)實(shí)驗(yàn)求解式,在素流條件下基于卡門對(duì)數(shù)分布與尼古拉茲實(shí)驗(yàn),推導(dǎo)平均流速、阻力速度與黏度項(xiàng)的關(guān)聯(lián)式及其計(jì)算公式,定義特征黏度與計(jì)算雷諾數(shù).在兩種不同流態(tài)下測(cè)試污水的表觀黏度η=2.2 ~8.0x10-* (du/dy)",兩種流態(tài)下表觀黏度表現(xiàn)出一定的差異.關(guān)鍵詞:城市原生污水;非牛頓流;表觀黏度;特征黏度中圈分類號(hào): TU831.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 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(cè)試儀均是在層流條件下測(cè)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(diào)'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(nèi)紊流的黏滯特性，而污水動(dòng)與換熱特性較清水有顯著差異,而現(xiàn)有的城市熱能資源化應(yīng)用尚處于初期階段,對(duì)此并未有深污水水質(zhì)參數(shù)僅表現(xiàn)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(cè)試也很少見，因流動(dòng)及熱物性參數(shù)缺乏,系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行工況存此,研究用管式流變儀測(cè)試紊流時(shí)的表觀黏度,與在很多不確定因素[.5)。工程應(yīng)用的實(shí)際情況相同,所得結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)城市污水的熱物性與流動(dòng)參數(shù)最關(guān)鍵的是污具有中國(guó)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(xiàn)出很強(qiáng)的非牛頓流“TYHCNMH Gt收稿日期: 2004-12 -03.1.1 表觀黏度基金項(xiàng)目:黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目(04CZ1474).對(duì)牛頓流體,黏度η為常數(shù),摩擦切應(yīng)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(yàn)測(cè)試●1493τ = ndu/dy.(1)d-(1.02)對(duì)非流頓冪律型流體,摩擦切應(yīng)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(dāng)n = 1時(shí),式(1)、(2)相同,當(dāng)n > 1時(shí)為當(dāng)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(yàn)測(cè)試內(nèi)容即為本構(gòu)常數(shù)k、n值確定u_nB_(R|情-r情.(3)1.2實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)n+ 1測(cè)試采用自制的管式流變儀系統(tǒng)見圖1.測(cè)得的平均流速，um = V/tA.對(duì)式(3)積分B'C'段為素流測(cè)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(cè)um =-rR2 bu.2trdr= nB(R'7r-2+)dr.試,標(biāo)準(zhǔn)體積桶(O.054 m' )加秒表BC段為層流R2bn+ 1測(cè)試段,LAB、LcD > 20 mm x 30(人口端影響) ,LBcnBR'+(4)=4m.流量采用體積法測(cè)試,標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(cè)試流程圖高位水箱內(nèi)滿水位,控制閥1.2為流量控制根據(jù)實(shí)測(cè)的t和Ap數(shù)據(jù),可得出污水的流變閥,控制管內(nèi)流速.污水中不含大尺度污雜物,均物性常數(shù)n,將得到的D,n代人式(6)中可得在5 mm以內(nèi).該系統(tǒng)用清水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較合適時(shí)，h=. +-.Rrn)"(7)所的結(jié)果誤差在5%以內(nèi),具有-定的準(zhǔn)確性.2層流測(cè)試原理與常數(shù)關(guān)系式3層流測(cè)試原理與常數(shù)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(qū)有τ. =k() ,則有= const, 且=0.出=()",u=()"y+e.dy切應(yīng)力變化規(guī)律為當(dāng)y =0時(shí),u =0,代人,則c = 0,故有r=(架)專u=(晉)'y.(8)設(shè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)有:流體體積(標(biāo)準(zhǔn)桶)，V(m3 );管道截面積,A(m2);管道半徑,R(m) ;管主論有1112r。 =中國(guó)煤化工道長(zhǎng)度, L (m);流滿時(shí)間, t(s).ρβMYHCNMHG有設(shè)污水為非牛頓冪律流,則有r=(出) =-()氣u = jIny +Cr(9)即有設(shè)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(bào)第38卷流速為度η。,均為非常數(shù).廣義雷諾數(shù)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(yīng)雷諾數(shù)Re"為特征雷諾數(shù).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(tái)(步)”.v.zIny +=將式(17)及壁面切應(yīng)力與流速關(guān)系帶人式(到)(18),有mn./p=(“出In”),則特征雷諾數(shù)可表示為二到)+ C2,(13)Re" =e4峨(臺(tái))v.” β7u(與)用特征雷諾數(shù)來表征流動(dòng)阻力特性時(shí),與牛式(13)與卡門對(duì)數(shù)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(yīng)力有關(guān),這里阻力系數(shù)有關(guān)，因此,定義計(jì)算雷諾數(shù)Re" ,即按尼古拉茲實(shí)驗(yàn)取β = 0.4,c2 = 511,12],可理論證實(shí)是正確的.Re" =dun對(duì)式(13)求平均流速有(告)由非牛頓冪律流的穩(wěn)定性值推導(dǎo)得:當(dāng)Re"R(E)um =”β(14)≤215、Re"≤1 640時(shí),為層流.由式(14)可得5測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)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(cè)得Ap與I,見表1.將表。1中的數(shù)據(jù)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(cè)試數(shù)據(jù)e(n管+E)V = 0.01 m' .測(cè)試與計(jì)算參數(shù)In0p/Pa272563:18n=(16)l/s2153300389(In" +日)中國(guó)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(yàn)數(shù)據(jù)分別帶人后聯(lián)合求解.MHCNMHG系侃樂什1 r;n但在紊流條件下測(cè)得數(shù)據(jù)組見表2.4特征黏度與特征雷諾數(shù)非牛頓流體的黏度包括表觀黏度η與有效黏由于有τ. = (2)號(hào),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(yàn)測(cè)試●1495中,解得傳熱設(shè)計(jì)將遠(yuǎn)離實(shí)際情況.h = 8.0x10-,n = 1.6.4)實(shí)驗(yàn)測(cè)得污水的切應(yīng)力本構(gòu)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(yàn)研究表2紊流條件下測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果吻合.V = 0.054 m2 ,測(cè)試與計(jì)算參數(shù)0p/Pa16750 8650 3600 1 350670參考文獻(xiàn):1/s5.17.111.17.9 25. 8[1]龍惟定.試論我國(guó)暖通空調(diào)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[J].暖3.07 2.20 1.42 0.87 0. 60通空調(diào), 2003, 29(3): 23 -25.42003800340030502740[2]趙慶波,單葆國(guó).世界能源需求現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)5.3測(cè)試結(jié)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(jié)果出版社,2002.表現(xiàn)在k值差異,因?yàn)槲鬯泻写罅款w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(xiàn)沉process[A]. IEE Conference[C]. [s.1]:[s. n.],積,顆粒物的影響顯而易見，由于工程設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)不難看出,Re"數(shù)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(shù)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(xiàng)流、多流體模型和非牛頓性.在傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究中,實(shí)測(cè)污水側(cè)對(duì)流換熱流等概念的探討[J].力學(xué)進(jìn)展, 1994 ,24(1):66 -74.系數(shù)隨流速變化緩慢,與Re"數(shù)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(yīng)用[ M].是相符的.北京:科學(xué)出版社,1992.[8] (日)川田裕郎,著.黏度[M].陳惠刊,譯.北京:中6結(jié)論國(guó)計(jì)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(yīng)用[M].北在歸結(jié)到流動(dòng)參數(shù)的變化中,主要體現(xiàn)在黏度特京:高等教育出版社, 1999.性,流動(dòng)與換熱問題可由單項(xiàng)非牛頓流模型描述.[10]張維佳.冪律型非流頓流體本構(gòu)常數(shù)的測(cè)量精度問題[J].計(jì)量學(xué)報(bào),1994,15(2) :35 -38.2)城市污水中含有大量顆粒物,按單項(xiàng)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(cè)試黏度特性.科學(xué)技術(shù)出版社,2001.3)實(shí)測(cè)結(jié)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(jī)[ M].北京:建筑工業(yè)出異,除表現(xiàn)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(qiáng),因此,以清水特性參數(shù)作對(duì)比流動(dòng)、(. 上接第1486頁)[12] SUJAYA I N, AMACHI S, YOKOTA A, et al. 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