水煤浆的流变特性采用Bohlin CVO型马尔文旋转流变仪测量。表面张力的测量方法主要有吊片法、液滴-鼓泡法以及微观界面面积测量法等。本实验基于液滴-鼓泡法使用SITA science line t100型全自动茄子APP下载对煤浆的动态表面张力进行了测量，并与芬兰Kibron公司生产的Delta-8全自动高通量茄子APP下载的静态表面张力进行比较。采用液滴-鼓泡法测量动态表面张力时，将特制毛细管伸入待测液体，空气经由毛细管进入液体，毛细管出口气泡形成外凸，气泡的半径也随之连续不断减小。气泡在液体中受到表面张力的挤压，气泡半径越小，压力就越大，然后通过测量压力的变化获得表面张力。测量动态表面张力时，通过控制空气进入毛细管的流量来改变气泡半径变化速率，其涉及的特征气泡时间也称气泡寿命，是指在鼓泡过程中从气泡形成外凸到气泡半径达到最小值的时间间隔。水煤浆破裂实验中，浆体通过喷嘴滴出，喷嘴内径为4.18 mm。使用Photron Fastcam SA2型高速相机拍摄水煤浆破裂过程，并使用开源软件ImageJ分析处理得到的图片。浆体微观破裂实验示意图如图2所示。

图2浆体微观破裂实验示意图

2结果与讨论

2.1水煤浆的流变特性

黏度、屈服应力等水煤浆的流变特性对浆体破裂过程有重要影响。在水煤浆中，煤粉颗粒、分散剂和水形成了相对稳定的三维空间结构，此时未被吸附、未参与形成紧密水化膜的自由水分布在这种三维结构的空隙中。这种空间结构在遭受剪切时很容易被破坏，从而导致分布在三维空间结构空隙中的自由水被释放，黏度降低；同时，剪切应力越大，水煤浆的黏度越小，所以水煤浆一般为剪切变稀的假塑性流体。

水煤浆黏度随剪切速率变化的实验结果如图3所示，不同条件下水煤浆的黏度随剪切速率的增加均呈逐渐减小的趋势，可知实验水煤浆均为剪切变稀的非牛顿流体。具体而言，在剪切速率小于1 s−1的区间，水煤浆质量分数对浆体黏度有显著影响，质量分数越大浆体黏度越大，且剪切变稀特性明显；当剪切速率大于1 s−1时，水煤浆质量分数对浆体黏度的影响相对减弱，且随着剪切速率的增加，浆体黏度变化较小。所以采用Herschel-Bulkley模型建立了水煤浆流变关系式：

图3水煤浆黏度随剪切速率的变化

式中：是水煤浆黏度（Pa·s），为屈服应力（Pa），为剪切速率（s−1），K为稠度系数（Pa·sn），n为流变指数。拟合关系式相关系数为0.98，拟合参数见表2。

表2水煤浆的Herschel-Bulkley模型参数

2.2水煤浆的表面张力特性

表面张力是作用于液体表面，使液体表面积缩小的力，在液体破裂过程中发挥了重要影响。在液体破裂过程中，纯液体的表面张力为常数，而表面活性剂溶液的表面张力为变量，一般称为动态表面张力，其数值与表面活性剂种类、浓度和界面变形速率等参数相关。对于水煤浆等含添加剂的复杂液固混合物浆体，其动态表面张力更加复杂。

不同质量分数水煤浆表面张力的变化情况如图4所示。可以看出：不同条件下水煤浆的动态表面张力变化情况比较一致，随着特征气泡时间(t)的增加，动态表面张力均先减小后增加，在气泡特征时间为200 ms附近出现最小值；而水煤浆的动态表面张力与静态表面张力存在显著差异，在气泡特征时间较小或较大时，动态表面张力均大于静态表面张力。

图4不同质量分数水煤浆的表面张力变化情况(其中水平线为静态表面张力)

从图4中可以看出，随着特征气泡时间的增加，与表面活性剂溶液不同，水煤浆的动态表面张力呈现了非单调的变化特性。当气泡变形速度较快即特征气泡时间小于100 ms时，气泡膨胀过程越快其受到煤粉颗粒的阻碍作用越大，所以水煤浆的动态表面张力随着特征气泡时间的增加而逐渐减小；当气泡变形速度较慢时，水煤浆中的煤粉颗粒、分散剂和水将会形成相对稳定的三维空间结构，气泡膨胀时需要破坏水煤浆结构，所以动态表面张力随着特征气泡时间的增加而逐渐增大。水煤浆的动态表面张力与特征气泡时间的关系式如式(2)所示，相关系数为0.83，由图5可知水煤浆动态表面张力的实验值(Dm,EXP)与拟合值(Dm,pre)吻合较好。

图5水煤浆动态表面张力实验值与拟合值对比