吴爱祥等：全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）：流变测量与展望 455· 取料浆不同液位高度、H2及相应出口断面流 速1、2，应用式(9)进行联立求解，可得到料浆 的屈服应力x,和塑性黏度。 4,8M Dupg 3y+Dn=4i+元a (9 28 式中：M为料浆的平均流速，ms;D为管道直径， m;H为料浆液面高度，m;L为水平管道的长度， m:a为局部水头损失系数，取1.05 图5坍落度测量原理 2.4倾斜管测试法 Fig.5 Theoretical analysis of the slump test 倾斜管测试装置包括备料漏斗、倾斜管、盛料 Ferraris和de Larrard!对标准坍落度装置进行 槽及支架等，如图7所示 了改进，增加了对坍落时间的测量，建立了黏度() 与坍落100mm所需时间的半经验模型，见式(6). Inclined pipe n=Apt (6) Bracket 式中：λ为材料指数；t为坍落100mm用时，s. Bracket Storage 锥形筒坍落度模型计算较为复杂，且预测较 高屈服应力时存在一定误差Chandler最早应 图7倾斜管流变实验装置图 用圆柱形坍落筒，Pashias等B7进一步对装置尺寸、 Fig.7 Schematic of the inclined pipe 高径比、材质等影响因素进行了测量，并建立了圆 测试时，将膏体料浆倒入备料漏斗，持续加料 筒坍落度与屈服应力的理论模型，如式(7)，可进 使漏斗内液位保持在同一高度.通过改变倾角控 一步简化为式(8)，其预测结果更为准确9,2 制倾斜管的充填倍线，测量料浆在自重作用下通 s'=1-2 [1-In(2y)] (7) 过不同倾角管道的平均流速Ⅵ，并测量倾斜管直径 5=-v网 D1、长度L和料浆密度p,通过式(I0)联立求解，得 (8) 到膏体料浆的流变参数1 2.3L管测试法 4 8 Disine DIv12 L管测试是在实验室或现场进行的接近现场 2 8g4 /1+Pg)(10) 工况的输送流动性测试，装置包括盛料漏斗、垂直 2.5 环管测试法 管、水平管及不同转弯半径的弯管等，如图6所示0 环管测试能够准确测定沿程阻力及流变参 试验中，盛料漏斗中的膏体料浆在自重作用下，通过 数，为井下管线布置提供依据，在指导工程设计方 与漏斗连接的L型管道向下流动，并从下端出口流出. 面具有不可替代的重要价值.工业级环管试验系 统主要包括4个子系统：制浆系统、加压输送系 1-Storage funnel 统、测量系统、给排水系统印，如图8所示 2-Funge 3-Vertical pipe ①制浆系统按照试验设计要求制备料浆.包括 4-Horizontal pipe 5-Ball valve 搅拌槽、上料工作平台、给料行车、出料阀门、供 料板车、数台不同量程电子秤等，核心是搅拌槽 ②加压输送系统是环管试验的主体，通过柱 塞泵控制不同输送流量和输送压力，选择不同管 径的直管或弯管，模拟井下充填管路的实际情况， 图6L管流变实验装置示意图 Fig.6 Schematic of the L-shaped tube 以获得较为全面的管道输送参数.不同管径的无 缝钢管以泵出口-搅拌槽-料斗形成环路使料浆反 其测试原理为假设膏体在管道中以Bingham 复循环，便于获取多组数据 塑性结构流形式输送，克服起始切应力后流动，管 ③测量系统能够监测料浆的制备情况、输送 道输送阻力损失随流速的增加相应增大.通过测 量、供压情况，测试不同浆体各时段各工况，点的状Ferraris 和 de Larrard[35] 对标准坍落度装置进行 了改进，增加了对坍落时间的测量，建立了黏度 (η) 与坍落 100 mm 所需时间的半经验模型，见式（6）. η = λρt （6） 式中： λ 为材料指数； t 为坍落 100 mm 用时，s. 锥形筒坍落度模型计算较为复杂，且预测较 高屈服应力时存在一定误差[25] . Chandler[36] 最早应 用圆柱形坍落筒，Pashias 等[37] 进一步对装置尺寸、 高径比、材质等影响因素进行了测量，并建立了圆 筒坍落度与屈服应力的理论模型，如式（7），可进 一步简化为式（8)[38] ，其预测结果更为准确[39, 25] . S ′ = 1−2τ ′ y [ 1−ln( 2τ ′ y )] （7） τ ′ y = 1 2 ( 1− √ S ′ ) （8） 2.3    L 管测试法 L 管测试是在实验室或现场进行的接近现场 工况的输送流动性测试，装置包括盛料漏斗、垂直 管、水平管及不同转弯半径的弯管等，如图 6 所示[40] . 试验中，盛料漏斗中的膏体料浆在自重作用下，通过 与漏斗连接的 L 型管道向下流动，并从下端出口流出. 其测试原理为假设膏体在管道中以 Bingham 塑性结构流形式输送，克服起始切应力后流动，管 道输送阻力损失随流速的增加相应增大. 通过测 HL1 HL2 vL1 vL2 τy ηp 取料浆不同液位高度 、 及相应出口断面流 速 、 ，应用式（9）进行联立求解，可得到料浆 的屈服应力 和塑性黏度 [41] . 4 3 τy + ( 8vL DL ) ηp = DLρg 4(HL + LL)   HL α − v 2 L 2g   （9） vL DL HL LL α 式中： 为料浆的平均流速，m·s−1 ； 为管道直径， m； 为料浆液面高度，m； 为水平管道的长度， m； 为局部水头损失系数[42] ，取 1.05. 2.4    倾斜管测试法 倾斜管测试装置包括备料漏斗、倾斜管、盛料 槽及支架等，如图 7 所示. θ vI DI LI ρ 测试时，将膏体料浆倒入备料漏斗，持续加料 使漏斗内液位保持在同一高度. 通过改变倾角 控 制倾斜管的充填倍线，测量料浆在自重作用下通 过不同倾角管道的平均流速 ，并测量倾斜管直径 、长度 和料浆密度 ，通过式（10）联立求解，得 到膏体料浆的流变参数[43] . 4 3 τy + ( 8vI DI ) ηp = ρg ( DIsinθ 2 − DIvI 2 8gLI ) / (1+ρg) （10） 2.5    环管测试法 环管测试能够准确测定沿程阻力及流变参 数，为井下管线布置提供依据，在指导工程设计方 面具有不可替代的重要价值. 工业级环管试验系 统主要包括 4 个子系统：制浆系统、加压输送系 统、测量系统、给排水系统[3] ，如图 8 所示. ① 制浆系统按照试验设计要求制备料浆. 包括 搅拌槽、上料工作平台、给料行车、出料阀门、供 料板车、数台不同量程电子秤等，核心是搅拌槽. ② 加压输送系统是环管试验的主体，通过柱 塞泵控制不同输送流量和输送压力，选择不同管 径的直管或弯管，模拟井下充填管路的实际情况， 以获得较为全面的管道输送参数. 不同管径的无 缝钢管以泵出口-搅拌槽-料斗形成环路使料浆反 复循环，便于获取多组数据. ③ 测量系统能够监测料浆的制备情况、输送 量、供压情况，测试不同浆体各时段各工况点的状 τy τy h0 h0 h1 S Hs 图 5    坍落度测量原理 Fig.5    Theoretical analysis of the slump test 1 2 3 4 5 HL LL 1—Storage funnel 2—Funge 3—Vertical pipe 4—Horizontal pipe 5—Ball valve 图 6    L 管流变实验装置示意图 Fig.6    Schematic of the L-shaped tube Storage Inclined pipe Bracket Storage Bracket 图 7    倾斜管流变实验装置图 Fig.7    Schematic of the inclined pipe 吴爱祥等： 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）：流变测量与展望 · 455 ·