液体通过喷嘴产生的射流可以将连续相的大范围液体雾化成大量分散的小液滴，使气液接触面积快速增加，从而有效强化传质传热和化学反应，所以液体射流破裂在能源化工、航空航天、医疗卫生及交通运输等领域应用广泛。

自Rayleigh和Weber等采用不稳定理论研究液体射流破裂以来，液体射流破裂受到广泛关注。Reitz发现射流不稳定波最大增长率为表面张力相关函数。Eggers汇总了液滴自由表面流动随时间变化形态的研究，包括低黏度流体破裂中不同时间尺度的变化规律。Anna等研究了液体黏弹性对液滴形成过程中喉部直径的变化以及对液桥断裂时间的影响，并通过多模式模型预测瞬时直径形态的发展变化。Tirtaatmadja等发现在黏弹性流体破裂过程中，即使在低浓度条件下弹性的作用也远大于黏性，并提出了基于魏森伯格数的黏弹性流体破裂特征方程。Bhat等研究了黏弹性液丝的串珠结构，液体的黏弹性会阻碍液丝发生破裂，从而促使更多的小液滴形成。牛顿流体和黏弹性流体在拉伸过程中都会出现卫星液滴，但是黏弹性液体液桥断裂需要更多的时间。Castrejón-Pita等揭示了液滴形成过程中表面张力、黏性力以及惯性力的相互影响，有助于阐明卫星液滴的形成过程。Sattler等发现随着液体内高聚物浓度的增加，液丝很难发生断裂，液丝表现得如同固体一般，始终保持固定的形状。Chang等研究了幂律流体射流不稳定性问题，发现表面张力促进液体射流的破裂，液体黏性阻碍射流的破裂。Weickgenannt等采用两块平行平板研究了牛顿流体液桥的拉伸破裂形态，揭示了液桥直径和破裂时间与平板加速度、液体黏度的关系，并提出了基于液体表面张力和黏度的液桥直径变化模型。Lad等的研究结果表明在外加机械振动作用下液体射流破裂长度显著减小；在较低的射流速度下，由于聚合物的加入，射流破裂长度增加；在较高的射流速度下，由于射流中湍流的增加，聚合物的影响减小。

液固悬浮液由于固体颗粒的存在，其破裂过程更加复杂，液体性质，颗粒性质、粒径、密度以及浓度等都会影响到悬浮液破裂过程。Nicolas考察了在重力作用下液固悬浮液射流的不稳定性，发现当雷诺数（Re）在临界值以下时悬浮液是稳定的；而当雷诺数大于1时，射流颗粒将会发生分离现象。Furbank等选用硅油以及与其密度相近的颗粒制备液固悬浮液，研究颗粒体积分数和粒径对浆体破裂的影响，发现颗粒会抑制卫星液滴的形成。Zhao等对液固悬浮液破裂模式开展研究，阐明破裂过程中的悬浮液阶段、过渡阶段和纯液体阶段的各自特性，揭示了悬浮液破裂末期的非均质特性，以及在此区间传统流体的连续介质模型不成立。Moon等发现液固悬浮液破裂过程中当喉部直径非常小时，颗粒开始暴露到液体表面，液丝表面粗糙度增加，颗粒对破裂最后阶段的影响程度要大于破裂初始阶段。Harich等分析了含颗粒高聚物溶液的破裂过程，揭示了溶液破裂中颗粒的行为特性，发现其破裂特征时间明显增加。

煤气化产品可用来制备化学品、油品、氢气、燃气和冶金还原气等，用途广泛。水煤浆气流床气化技术是先进煤气化技术之一，具有处理量大、碳转化率高、清洁环保等优点。水煤浆是由煤粉、水和少量添加剂通过物理加工得到的一种煤基流体燃料和气化原料，是黏度大、流变性复杂的非牛顿浆体。水煤浆在气流床气化炉内的停留时间仅为秒级，为了增加氧气和水煤浆的气液接触面积以提高化学反应速率，对水煤浆破裂特性及机理的研究至关重要。传统雾化模型以连续介质模型为基础，但在浆体破裂过程中当其最小特征直径接近颗粒尺寸时浆体将会呈现出复杂变化特性，所以对浆体微观破裂特性的研究有助于进一步揭示浆体雾化机理和完善仿真模型。

本文以神华煤和华电煤为原料，借助高速相机观察了不同浓度下水煤浆的微观破裂特性，同时基于水煤浆流变性和动态表面张力获得了喉部直径随时间变化的关系式。

1实验部分

实验中所用煤均为烟煤，分别是神华神优2#煤和华电英格玛原料煤，简称为神华煤和华电煤。

首先将破碎好的煤样在105℃和通风条件下烘干2 h，然后放入磨机研磨30 min，最后在振筛机上进行筛分，得到粗、细两种粒级煤粉，分别称作粗颗粒和细颗粒。采用Mastersizer 2000激光粒度仪测试了煤粉的粗、细颗粒粒度，分别如表1和图1所示。制备的粗、细两种煤粉颗粒存在着一定的粒度分布，因此选取平均直径来表示其粒度特性。在燃烧、气化和喷嘴雾化等应用中，常选取索特平均直径(D32)或德布鲁克平均直径（D43）作为平均直径。采用干法制浆，配制时粗、细煤颗粒的质量比为6∶4，分别称取一定质量的烘干后的煤粉和去离子水以及分散剂(煤粉质量的1%)，并用搅拌器在1000 r/min的转速条件下搅拌15 min进行制浆。不同浓度的水煤浆会呈现出不同的黏度和表面张力等特性，这些参数会对水煤浆微观破裂产生显著影响，所以本文选择了实际气化生产中常见的质量分数为58%~62%的水煤浆为研究对象。

表1煤粉颗粒粒度及水煤浆质量分数

图1煤粉的粗、细颗粒粒度分布