剪切對凝膠汽油表觀粘度影響的實驗研究①

楊建魯，翁春生

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，南京 210094)

剪切對凝膠汽油表觀粘度影響的實驗研究①

楊建魯，翁春生

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，南京 210094)

采用超聲波震蕩和機械攪拌的方式，制備了以SiO2為凝膠劑的凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2，利用旋轉式流變儀對QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度進行了實驗研究。研究了凝膠劑含量、剪切速率以及預剪切對凝膠汽油表觀粘度的影響，獲得了該種類型的凝膠汽油在不同剪切速率下的表觀粘度。實驗表明，隨著凝膠劑含量的增加，表觀粘度增大，在低剪切速率條件下尤為明顯;當凝膠劑含量相同時，表觀粘度隨剪切速率的增大而減小，且減小幅度越來越小;預剪切能夠顯著降低凝膠汽油的表觀粘度。研究結果對于進一步了解凝膠汽油粘度對霧化的影響具有重要意義。

凝膠汽油;表觀粘度;剪切速率;預剪切;二氧化硅

0 引言

凝膠推進劑是一種介于固體推進劑和液體推進劑之間的新型推進劑，一直是國內外推進技術學者研究的重點之一［1－2］。它是一種非牛頓膠狀流體［3－4］，呈現出較高的粘度和剪切變稀的性質。凝膠推進劑既具有固體推進劑高安全性和便于長期儲存的優點，同時也具有液體推進劑高密度、高燃燒能量以及使用時易于調節流量的優點［5］。

凝膠推進劑的表觀粘度以及霧化研究是當前研究重點。Jennifer A Mallory等對凝膠推進劑模擬液的粘度等進行了實驗研究［6］。Changjin Yoon等建立了非穩態三維凝膠推進劑的平面孔口出流數值模擬，對流變特性進行了研究［7］。Rahiml S等認為，在氣-液互擊式霧化中，撞擊角和凝膠劑含量明顯影響霧化效果［8］。劉國慶等認為，凝膠推進劑的表觀粘度受錐形管道收斂角的影響［9］。左博、張蒙正等實驗研究了直圓管中剪切速率和表觀粘度的關系［10］。楊偉東、張蒙正等提出在凝膠推進劑霧化時，凝膠推進劑離開噴嘴后，由于突然失去了剪切力，其粘度如何變化，對霧化的影響有多大，還不能確切地分析［11］。

本文利用旋轉式流變儀測量在不同凝膠劑含量、不同剪切速率以及有無預剪切等情況下凝膠汽油的表觀粘度，并討論這些因素對表觀粘度的影響。通過施加預剪切的方式對剪切速率突變時的粘度變化進行測量，模擬凝膠汽油離開噴嘴后的粘度變化，為凝膠推進劑的霧化研究提供參考。

1 凝膠汽油的配制

實驗以97號汽油為基礎燃料，二氧化硅粉末為凝膠劑，通過超聲波震蕩儀和機械式攪拌器進行震蕩、攪拌制得凝膠汽油，凝膠劑含量分別為5%和6%，其中凝膠劑含量為5%的編號為QNJ-1，凝膠劑含量為6%的編號為QNJ-2。超聲波震蕩使凝膠汽油中產生空化效應，有效地減小了凝膠劑顆粒團聚;機械式攪拌使凝膠劑在汽油中分散均勻。震蕩、攪拌5 min后，即可制得實驗所用的凝膠汽油。如圖1所示。

圖1 制備的凝膠汽油樣品示意圖Fig.1 Samples of gelled gasoline prepared in experiments

2 凝膠汽油表觀粘度測量的方案設計

實驗環境溫度設定為25℃，使用旋轉式流變儀分別測量凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2在不同的剪切速率下的表觀粘度。

實驗方案如表1所示。為了研究預剪切對表觀粘度的影響，探索有剪切速率突變(如凝膠推進劑噴離噴嘴)情況下表觀粘度的變化規律，對凝膠汽油在剪切速率為10 s－1的工況進行了3組不同方案的測量:方案1無預剪切，直接在剪切速率為10 s－1的條件下測量凝膠汽油的表觀粘度;方案2先將凝膠汽油進行時間長度為10 s的預剪切，預剪切速率為500 s－1，然后在剪切速率為10 s－1的條件下進行粘度測量;方案3先進行10 s的預剪切，預剪切速率為1 000 s－1，然后在剪切速率為10 s－1的條件下進行粘度測量。對以上3種方案測量結果進行對比，獲得剪切速率突變對表觀粘度的影響。

為研究剪切速率以及凝膠劑含量對表觀粘度的影響，設計了方案4、方案5和方案6。方案4研究了凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2在剪切速率連續增大條件下，表觀粘度隨剪切速率的變化。方案5和方案6分別測量了剪切速率為 500 s－1和 1 000 s－1條件下凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度大小。

表1 QNJ-1和QNJ-2粘度測量方案Table 1 Viscosity measurement scheme of QNJ-1 and QNJ-2

3 實驗結果及其分析

3.1 預剪切速率對凝膠汽油表觀粘度的影響

為了研究剪切速率突變對表觀粘度的影響，分別在無預剪切處理和有預剪切處理后，對凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度進行測量。

圖2為凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2在剪切速率為10 s－1的條件下測量得到的表觀粘度變化曲線。

由圖2中表觀粘度變化曲線可知，未施加預剪切時凝膠汽油的表觀粘度明顯大于預先進行預剪切處理的凝膠汽油的表觀粘度。圖2(a)表示凝膠汽油QNJ-1在表1中方案1和方案2條件下表觀粘度的測量結果，未施加預剪切時，平均表觀粘度為4.62 Pa·s，預先進行了剪切速率為500 s－1的預剪切處理后，測得的平均表觀粘度為2.59 Pa·s，預剪切導致了表觀粘度的絕對值減小了 2.03 Pa·s，相對值降低了 43.91%。圖2(b)表示凝膠汽油QNJ-2在表1中方案1和方案2條件下表觀粘度的測量結果，未施加預剪切時，平均表觀粘度為5.87 Pa·s，施加了預剪切時平均表觀粘度為3.53 Pa·s，預剪切導致了表觀粘度絕對值減小了2.34 Pa·s，相對值降低了 40.37%。對以上數據進行對比，如表2所示。

預剪切能夠使凝膠汽油的表觀粘度顯著降低。經過剪切速率相同的預剪切處理后，雖然高凝膠劑含量的凝膠汽油QNJ-2由預剪切引起的表觀粘度的絕對量減小較大，但QNJ-1的表觀粘度相對量減小卻較大。因此，在預剪切速率相同時，凝膠劑含量越低表觀粘度受預剪切的影響越大。

圖2 預剪切速率為500 s－1和無預剪切時QNJ-1及QNJ-2表觀粘度隨時間的變化Fig.2 History of apparent viscosity of QNJ-1 and QNJ-2 with pre-shear and without pre-shear

表2 預剪切對QNJ-1和QNJ-2粘度影響的比較Table 2 Influence of pre-shear on viscosity on QNJ-1 and QNJ-2

圖3為凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2在表1中方案1和方案3條件下表觀粘度的測量結果。圖3(a)表示QNJ-1的表觀粘度變化曲線，無預剪切時，平均表觀粘度為4.62 Pa·s，施加了預剪切后平均表觀粘度為1.14 Pa·s，預剪切導致了表觀粘度的絕對值減小了3.48 Pa·s，相對值降低了75.32%;圖3(b)表示QNJ-2的表觀粘度變化曲線，無預剪切時，平均表觀粘度為5.87 Pa·s，施加了預剪切后平均表觀粘度為2.12 Pa·s，預剪切引起了表觀粘度的絕對值減小3.75 Pa·s，相對值降低了63.88%。將圖3的數據與圖2進行對比，如表3所示，凝膠劑含量相同時，不同預剪切速率對表觀粘度的影響不同，預剪切速率越高，表觀粘度的減小量越大。

圖3中，凝膠汽油QNJ-1、QNJ-2無預剪切時的表觀粘度變化曲線平均值分別為 4.62 Pa·s和5.87 Pa·s。曲線中QNJ-1和QNJ-2的第一個測點表觀粘度分別為5.01 Pa·s 和 6.08 Pa·s，明顯大于平均值。這是由于凝膠汽油具有一定的觸變性，初始剪切時，表觀粘度有所降低。

圖3 預剪切速率為1 000s－1和無預剪切時QNJ-1 QNJ-2表觀粘度的變化Fig.3 Histories of apparent viscosity of QNJ-1 and QNJ-2 with pre-shear and without pre-shear

表3 不同預剪切速率對QNJ-1和QNJ-2表觀粘度的影響Table 3 Effects of different pre-shear rate on apparent viscosity of QNJ-1 and QNJ-2

從圖2、圖3中有預剪切條件下凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度變化曲線可知，剛剛撤除預剪切時，表觀粘度較小，隨著時間的延長，其表觀粘度不斷增大，但增幅越來越小，最終達到一個穩定值。這是由于，初始階段高預剪切速率導致凝膠汽油的表觀粘度較小，隨著時間的增長，凝膠汽油在穩定的低剪切速率下進行粘度測量，其表觀粘度有所恢復。但表觀粘度無法恢復到無預剪切處理時凝膠汽油的表觀粘度值。由此間接說明凝膠汽油的觸變性具有有限可逆性。

3.2 凝膠劑含量和剪切速率對表觀粘度的影響

剪切速率和凝膠劑含量都會導致凝膠汽油的表觀粘度發生改變。圖4為凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2在剪切速率連續變化時的表觀粘度變化曲線，與表1中方案4相對應。由圖4分析可知，當剪切速率由180 s－1增長到500 s－1時，凝膠汽油的表觀粘度不斷減小。且從曲線變化趨勢可看出，在初始階段表觀粘度的下降幅度較大，隨著剪切速率的不斷增大，粘度-剪切速率曲線越來越平滑。剪切速率從180 s－1增加到300 s－1時，QNJ-1的表觀粘度降低了 0.213 Pa·s，QNJ-2的表觀粘度降低了 0.224 Pa·s;剪切速率從 300 s－1增加到500 s－1時，QNJ-1 的表觀粘度降低了 0.069 Pa·s，QNJ-2的表觀粘度降低了0.074 Pa·s。由此可知，在低剪切速率下，凝膠汽油的表觀粘度易受剪切速率的影響，剪切速率較小的改變就能引起表觀粘度的較大變化。而當剪切速率增大到一定值時，表觀粘度變化曲線呈現出平滑趨勢，說明剪切速率的增加對表觀粘度的影響越來越微弱。

圖4 剪切速率的變化對凝膠汽油表觀粘度的影響Fig.4 Influence of the changes of shear rate on apparent viscosity of the gelled propellant

對圖4數據處理，如表4所示，剪切速率從180 s－1增加到500 s－1，凝膠汽油 QNJ-1的表觀粘度降低了0.282Pa·s，占初始表觀粘度的 98.05%;凝膠汽油QNJ-2的表觀粘度降低了0.298 Pa·s，占初始表觀粘度的88.09%。由此可見，雖然凝膠汽油QNJ-2的表觀粘度降低得更多，但就相對量來說，QNJ-1的表觀粘度更容易受剪切速率變化的影響。這是由于有二氧化硅凝膠劑的存在，凝膠汽油內部形成一種立體的網狀結構，凝膠劑含量越多，這種網狀結構的“網眼”就越密，其表觀粘度也越大。剪切力破壞了這種立體的網狀結構，表觀粘度降低。但剪切力并不能完全將網狀結構破壞，而是將完整的網狀結構剪切破壞成許多大小不同的網狀顆粒分散在凝膠汽油之中，這些顆粒內部仍保持著立體網狀結構。凝膠劑含量越高，剪切后凝膠汽油中的網狀顆粒的比例就越多，其相對表觀粘度下降量也越小。

表4 剪切速率由180 s－1增加到500 s－1引起的粘度減小Table 4 Decrease of viscosity with shear rate increased from 180 s－1to 500 s－1

由圖4中QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度變化曲線可看出，當凝膠劑含量增加時，凝膠汽油的表觀粘度也增大。而且在不同的剪切速率下，表觀粘度的增加量也不同。在剪切速率為180 s－1的工況下，QNJ-2的表觀粘度比QNJ-1的表觀粘度大0.05 Pa·s;剪切速率為500 s－1時，QNJ-2的表觀粘度比QNJ-1的表觀粘度大0.03Pa·s?？梢?，低剪切速率條件下凝膠劑含量對表觀粘度的影響更大。

在不同的剪切速率下，凝膠劑的含量對凝膠汽油表觀粘度的影響不同。圖5表示凝膠汽油QNJ-1和QNJ-2在方案5和方案6條件下測得的表觀粘度變化曲線。

圖5 不同剪切速率與凝膠劑含量條件下表觀粘度隨時間的變化Fig.5 History of apparent viscosity with different shear rate and gel content

由圖中4條曲線的變化趨勢可知，凝膠汽油的表觀粘度在初始階段迅速降低，經過一定的時間后凝膠汽油的表觀粘度趨于穩定。這是由于凝膠汽油具有觸變性，靜止狀態的凝膠汽油突然受到較大的剪切力，從而導致初始階段表觀粘度迅速降低。分析圖5可知，當剪切速率穩定在500 s－1時，QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度大小都在10－3Pa·s數量級，QNJ-1的平均表觀粘度為 3.8×10－3Pa·s，QNJ-2 的平均表觀粘度為6.7×10－3Pa·s，QNJ-2 的表觀粘度比 QNJ-1 大 2.9×10－3Pa·s。當剪切速率為 1 000 s－1時，二者的表觀粘度大小在10－4Pa·s數量級，QNJ-1的平均表觀粘度為1.5×10－4Pa·s，QNJ-2 的平均表觀粘度為 5.5×10－4Pa·s，QNJ-2 的表觀粘度比 QNJ-1 大 4.0×10－4Pa·s。由圖2(a)可知，剪切速率為10 s－1時，QNJ-1和 QNJ-2的平均表觀粘度分別為 4.62 Pa·s和 5.87 Pa·s，QNJ-2的表觀粘度比 QNJ-1 大 1.25 Pa·s。

由以上對圖5的分析，并與圖3中無預剪切條件下凝膠汽油在剪切速率為10 s－1時的表觀粘度對比，如表5所示。隨著剪切速率的增大，凝膠劑含量對表觀粘度的影響越來越小，QNJ-1和QNJ-2的表觀粘度差別也越小，并有趨向一致的趨勢。

表5 凝膠劑含量對表觀粘度的影響Table 5 Influence of gel content on apparent viscosity

4 結論

(1)二氧化硅/汽油凝膠燃料的表觀粘度受凝膠劑含量和剪切速率的影響:凝膠劑含量高、剪切速率低時，凝膠汽油的表觀粘度較大。不同的剪切速率條件下，凝膠劑含量對表觀粘度的影響不同，低剪切速率情況下，凝膠劑含量的變化引起的表觀粘度變化幅度較大;不同凝膠劑含量條件下，剪切速率對表觀粘度的影響也不同，低凝膠劑含量情況下，剪切速率的變化對表觀粘度的影響也較大。

(2)隨著剪切速率的不斷增加，凝膠汽油的表觀粘度不斷減小，但減小幅度越來越小;在高剪切速率下，表觀粘度有趨于定值的趨勢。

(3)預剪切可有效地降低凝膠汽油的表觀粘度，且預剪切速率越高，表觀粘度的降低幅度越大。預剪切對不同凝膠劑含量的凝膠汽油的表觀粘度影響不同:相對于高凝膠劑含量的凝膠汽油，低凝膠劑含量的凝膠汽油的表觀粘度更容易受預剪切的影響。

(4)該種凝膠汽油具有有限可逆的觸變性。

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(編輯:薛永利)

Experimental study on the influence of shear on apparent viscosity of gelled gasoline

YANG Jian-lu，WENG Chun-sheng
(National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science ＆ Technology，Nanjing 210094，China)

The silica-based gelled gasoline，QNJ-1 and QNJ-2 were respectively prepared by means of ultrasonic vibration and mechanical stirring.The apparent viscosity of the gelled gasoline was researched experimentally by rotational rheometer with coneand-plate configuration.The effect of gel content，shear rate and pro-shear on apparent viscosity of the gelled gasoline was analyzed in this paper.The results indicate that apparent viscosity increases with the increment of the gelling content.The phenomenon is observed obviously at low shear rate;the apparent viscosity when gelling content maintains decreases with shear rate increasing.The apparent viscosity of the gelled gasoline would be reduced by pro-shear significantly.The research results are of important significance for further investigation of effect of the gelled gasoline viscosity on the atomization mechanism.

gelled gasoline;apparent viscosity;shear rate;pro-shear;silica

V512

A

1006-2793(2014)06-0843-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.06.020

2013-12-23;

2014-04-08。

國家自然科學基金(11372141);國家自然科學青年科學基金(11002074);高等學校博士學科點專項科研基金(20113219120045);中央高校基本科研業務費專項資金(30920130112007)。

楊建魯(1987—)，男，博士生，研究方向為爆轟推進技術。E-mail:yang.jianlu@163.com

翁春生(1964—)，男，教授。E-mail:wengcs@126.com