城市原生污水冷热源污水黏度特性实验测试

第38卷第9期哈尔滨工业大学学报2006年9月JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY城市原生污水冷热源污水黏度特性实验测试吴荣华,张成虎,孙德兴(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090,Eml:shaul22@126.com)摘要:城市原生污水的黏度特性是其作为冷热源应用的关键设计参数,将污水流动视为均质非牛顿幂律流,基于管式流变仪实验基础,分析层流条件时表观黏度的本构常数实验求解式,在素流条件下基于卡门对数分布与尼古拉兹实验,推导平均流速、阻力速度与黏度项的关联式及其计算公式,定义特征黏度与计算雷诺数在两种不同流态下测试污水的表观黏度η=22~80×10(d/dy)0,两种流态下表观黏度表现出定的差异关键词:城市原生污水;非牛顿流;表观黏度;特征黏度中图分类号:TU831.6文献标识码:A文章编号:0367-6234(200)09-1492-04Test on the viscosity of the urban original wastewateras a cool and heat sourceWU Rong-hua, ZHANG Cheng hu, SUN De-xingE-mail:shwul22@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-onential homogeneous fluid, and analyzes the viscosity's special relationship in laminar flow.Based onKarman logarithm distribution and Nikuradse experiment, the associated formula about the average velocityresistance velocity and viscosity is obtained, and the characteristic viscosity and characteristic Reynolds ruleare defined. n 2.2-8.0 x 10(du/dy) 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 characteristicKey words: urban wastewater; non-Newtonian; apparent viscosity; characteristic viscosity城市原生污水是一种可再生性资源,包括污特性一般的黏度测试仪均是在层流条件下测水污泥回用和污水热能资源化为建筑物供暖空试,由于污水中固相污物的沉积挂壁影响,并调12.但城市污水含有大量物理化学污物3,流不能真实反映实际管内紊流的黏滞特性,而污水动与换热特性较清水有显著差异,而现有的城市热能资源化应用尚处于初期阶段,对此并未有深污水水质参数仅表现在水中的成分特点相关的研究,且基于紊流时的黏度测试也很少见,因流动及热物性参数缺乏,系统设计与运行工况存此,研究用管式流变仪测试紊流时的表观黏度,与在很多不确定因素工程应用的实际情况相同,所得结果对工程设计城市污水的热物性与流动参数最关键的是污具有实用价值水的黏度特性6.除溶解性化学污物外,大量小尺度污物的存在使得污水表现出很强的非牛顿流1表观黏度与实验系统收稿日期:2004-12-031.1表观黏度基金项目:黑龙江省科技攻关项目(04GCZ1474)对牛顿流体,黏度η为常数摩擦切应力表示第9期吴荣华,等:城市原生污水冷热源污水黏度特性实验测试1493T ndu/dy(1)du对非流顿幂律型流体,摩擦切应力为drdu令B=2k az(42÷)°,则出=-则黏度式可表示为直接积分可得到a=-B·n,rn+C当n=1时,式(1)(2)相同,当n>1时为当=R时,n=0,可得C=nBP剪切稠化流体n<1时为剪切稀化流体.实于是有验测试内容即为本构常数k、n值确定,(R+1.2实验系统测试采用自制的管式流变仪系统见图测得的平均流速,un=WtA.对式(3)积分BC段为紊流测试段,Lg、Lc>70mmx得平均流速为30(入口端影响),Lgc=6m.流量采用体积法测丌R2u·2mdr-(R试标准体积桶(0.054m3)加秒表.BC段为层流测试段,LAB、Lcp>20mm×30(人口端影响),LpcnBR(4)=4m流量采用体积法测试,标准体积桶(0.01m3)加秒表将B=(1·42)代入式(4)中,得到v nBR+n溢流管(5)控制阀2由式(5)可得A'BDN70流量测口t4=3n+1.(2控制阀1AB污水泵A·+ onst=D(6)即有t·Δp= const(或t·△H=cons)图1黏度测试流程图高位水箱内满水位,控制阀1、2为流量控制根据实测的t和4p数据,可得出污水的流变阀控制管内流速污水中不含大尺度污杂物均物性常数n,将得到的D,n代入式(6)中可得在5mm以内该系统用清水进行实验较合适时所的结果误差在5%以内,具有一定的准确性k=13n+1R(7)2层流测试原理与常数关系式3层流测试原理与常数关系式非牛顿流与牛顿流的成熟发展层流管流,均有森流黏性区有x=(出),则有= const,且apduy +c切应力变化规律为当y=0时,=0,代人,则c=0,故有(8)设实验测量时有:流体体积(标准桶),V(m3);管道截面积,A(m2);管道半径,R(m);管主流区域按混合长度理论有r。=道长度,L(m);流满时间,t(s)设污水为非牛顿幂律流,则有n(则·则有r=4(出)=-(m2,2y +c(9)1494哈尔滨工业大学学报第38卷流速为度η,均为非常数广义雷诺数Re’实际是由有效(10)黏度定义的由于黏性力只在流动边界层起作用,而非牛由式(9)有顿流黏度均与速度梯度有关,在层流边界层速度ub =In8+Cu(11)梯度不变,因此定义层流边界层黏度为特征黏度T,相应雷诺数Re”为特征雷诺数由式(10)、(11)联立得边界层速度梯度为(12)du(17)则特征黏度T为将式(12)代入式(9)式中有7./p=k/duj"-1(18)将式(17)及壁面切应力与流速关系带入式(K(18),有则特征雷诺数可表示为=11n+C2,(13)Ba=ed、d/A-In用特征雷诺数来表征流动阻力特性时,与牛式(13)与卡门对数分布具有完全相同形式,顿流体具有完全相同的阻力特性形式但Re"与一定条件下,流速分布仅与壁面切应力有关这里阻力系数有关,因此,定义计算雷诺数Re",即按尼古拉兹实验取B=0.4,c2=5.5:1,可理Re=d u论证实是正确的对式(13)求平均流速有由非牛顿幂律流的稳定性值推导得:当Re"(14)≤215、Re"≤1640时,为层流由式(14)可得5测试数据与计算分析⊥51在层流条件下k,n值在层流条件下分别测得Ap与t,见表1.将表1中的数据组代入到式(6)、(7)得即有ln则k=2.2x101.6.其中Re“≤215、Re”≤1640,为层流ke (InR+E)(15)表1层流条件下测试数据V=0.01m3,测试与计算参数18216(in R式(15)、(16)中,k,n值相互关联,因此,至少需1413140413271317120要两组以上的实验数据分别带入后联合求解.52紊流条件下k,n值4特征黏度与特征雷诺数在紊流条件下测得数据组见表2由于有r.=(望)B,代入到式(5)、(6第9期吴荣华,等:城市原生污水冷热源污水黏度特性实验测试1495中,解得传热设计将远离实际情况k=8.0×104,n=1.64)实验测得污水的切应力本构方程为r=其中215≤Re"、1640≤Re"为紊流表2紊流条件下测试数据80×101(+),该持性与传热特性的实验研究V=0.054m3,测试与计算参数结果吻合△p/Pa16750865036001350670参考文献5.17.111.117.925.83.072.201.420.870.60[1]龙惟定、试论我国暖通空调业的可持续发展[冂].暖42003800340030502740通空调,2003,29(3):23-25[2]赵庆波单葆国.世界能源需求现状与展望[J].中国5.3测试结果分析能源,2002,18(2):18-211)在层流条件下,k=2.2×10-,n=1.6;[3]周彤编.污水回用决策与技术[M]北京:化学工业紊流条件下,k=80×104,n=16,两种结果出版社,2002表现在k值差异,因为污水中含有大量颗粒状杂[4] WALKER S. Energy form waste in the sewage treatment物,紊流条件下进行了大量参混,而层流则出现沉process[ A]. IEE Conference[ C]. [s. 1.]:[s. n.]积颗粒物的影响显而易见,由于工程设计为紊流条件下换热取k=8.0×10-4可靠[5]STIEMSTROM B. Feeding large heating pumps form2)从表1、2中数据不难看出,Re"数随流速变sewage water treatment plants[J]. Proceedings of the Intemational Conference on Applications and Efficiency of化迟缓,流速由0.6m/s至3m/s时,Re"数由Heat Pump Systems, 1991(3): 183-1922740变化到4200,充分显示了污水流动的特殊6]刘大有.关于两相流、多项流多流体模型和非牛顿性在传热特性实验研究中,实测污水侧对流换热流等概念的探讨[J].力学进展,1994,24(1):66-74系数随流速变化缓慢,与Re"数随流速变化不大[7]王光谦.固液两相流基本理论及其最新应用[M]是相符的北京:科学出版社,1992[8](日)川田裕郎,著.黏度[M].陈惠刊,译.北京:中6结论国计量出版社,19911)将城市污水视为均质流体将污杂物的存9沈崇棠刘鹤年非流顿流体力学及其应用[M]北在归结到流动参数的变化中,主要体现在黏度特京:高等教育出版社,1999性,流动与换热问题可由单项非牛顿流模型描述[10]张维佳.幂律型非流顿流体本构常数的测量精度问题[J]计量学报,1994,15(2):352)城市污水中含有大量颗粒物按单项非牛(张维佳潘大林工程流体力学(M]哈尔滨:黑龙江顿流处理时,只能在紊流条件下测试黏度特性.科学技术出版社,20013)实测结果表明,污水黏度与清水有很大差[12]屠大燕.流体力学泵与风机[M]北京:建筑工业出异除表现非牛顿特性外,由于n=1.6,偏离牛版社,1994(编辑刘彤)顿流体很强,因此,以清水特性参数作对比流动(上接第1486页)[12] SUJAYA I N, AMACHI S, YOKOTA A, et al. Identind Microbial Technology, 1997, 20: 301-307.fication and characterization of lactic acid bacteria in [16JIYER P V, LEE Y Y. Product inhibition in simultane-ragi tape [J]. World J Microbiol Biotechnol, 2001, 17ous saccharification and fermentation of cellulose into(4):349-357lactic acid [J]. Biotechnology Letters, 1999, 21: 371[I3]张龙翔生化实验方法和技术[M].北京:人民教-373.育出版社,1986[17]SAKAI K, MURATA Y, YAMAZUMI H, et aL. Selec[14]SALMINEN S, von WRIGHT A. Lactic Acid Bacteriative proliferation of lactic acid bacteria and accumulaMicrobiology and Functional Aspects [M]. New York:on of lactic acid during open fermentation of kitchenMarcel Dekker, 1998refuse with intermittent pH adjustment [J]. Food Sci15JHOFVENDAHL K, HAGERDAL-HAHN B. L-lacticTechnol Res,2000,.6(2):140-145cid production from whole wheat flour hydrolysate u-(编辑刘彤)sing strains of Lactobacilli and Lactococci [J. Enzyme