剪切对凝胶汽油表观粘度影响的实验研究①

杨建鲁，翁春生

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

剪切对凝胶汽油表观粘度影响的实验研究①

杨建鲁，翁春生

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，南京 210094)

采用超声波震荡和机械搅拌的方式，制备了以SiO2为凝胶剂的凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2，利用旋转式流变仪对QNJ-1和QNJ-2的表观粘度进行了实验研究。研究了凝胶剂含量、剪切速率以及预剪切对凝胶汽油表观粘度的影响，获得了该种类型的凝胶汽油在不同剪切速率下的表观粘度。实验表明，随着凝胶剂含量的增加，表观粘度增大，在低剪切速率条件下尤为明显;当凝胶剂含量相同时，表观粘度随剪切速率的增大而减小，且减小幅度越来越小;预剪切能够显著降低凝胶汽油的表观粘度。研究结果对于进一步了解凝胶汽油粘度对雾化的影响具有重要意义。

凝胶汽油;表观粘度;剪切速率;预剪切;二氧化硅

0 引言

凝胶推进剂是一种介于固体推进剂和液体推进剂之间的新型推进剂，一直是国内外推进技术学者研究的重点之一［1－2］。它是一种非牛顿胶状流体［3－4］，呈现出较高的粘度和剪切变稀的性质。凝胶推进剂既具有固体推进剂高安全性和便于长期储存的优点，同时也具有液体推进剂高密度、高燃烧能量以及使用时易于调节流量的优点［5］。

凝胶推进剂的表观粘度以及雾化研究是当前研究重点。Jennifer A Mallory等对凝胶推进剂模拟液的粘度等进行了实验研究［6］。Changjin Yoon等建立了非稳态三维凝胶推进剂的平面孔口出流数值模拟，对流变特性进行了研究［7］。Rahiml S等认为，在气-液互击式雾化中，撞击角和凝胶剂含量明显影响雾化效果［8］。刘国庆等认为，凝胶推进剂的表观粘度受锥形管道收敛角的影响［9］。左博、张蒙正等实验研究了直圆管中剪切速率和表观粘度的关系［10］。杨伟东、张蒙正等提出在凝胶推进剂雾化时，凝胶推进剂离开喷嘴后，由于突然失去了剪切力，其粘度如何变化，对雾化的影响有多大，还不能确切地分析［11］。

本文利用旋转式流变仪测量在不同凝胶剂含量、不同剪切速率以及有无预剪切等情况下凝胶汽油的表观粘度，并讨论这些因素对表观粘度的影响。通过施加预剪切的方式对剪切速率突变时的粘度变化进行测量，模拟凝胶汽油离开喷嘴后的粘度变化，为凝胶推进剂的雾化研究提供参考。

1 凝胶汽油的配制

实验以97号汽油为基础燃料，二氧化硅粉末为凝胶剂，通过超声波震荡仪和机械式搅拌器进行震荡、搅拌制得凝胶汽油，凝胶剂含量分别为5%和6%，其中凝胶剂含量为5%的编号为QNJ-1，凝胶剂含量为6%的编号为QNJ-2。超声波震荡使凝胶汽油中产生空化效应，有效地减小了凝胶剂颗粒团聚;机械式搅拌使凝胶剂在汽油中分散均匀。震荡、搅拌5 min后，即可制得实验所用的凝胶汽油。如图1所示。

图1 制备的凝胶汽油样品示意图Fig.1 Samples of gelled gasoline prepared in experiments

2 凝胶汽油表观粘度测量的方案设计

实验环境温度设定为25℃，使用旋转式流变仪分别测量凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2在不同的剪切速率下的表观粘度。

实验方案如表1所示。为了研究预剪切对表观粘度的影响，探索有剪切速率突变(如凝胶推进剂喷离喷嘴)情况下表观粘度的变化规律，对凝胶汽油在剪切速率为10 s－1的工况进行了3组不同方案的测量:方案1无预剪切，直接在剪切速率为10 s－1的条件下测量凝胶汽油的表观粘度;方案2先将凝胶汽油进行时间长度为10 s的预剪切，预剪切速率为500 s－1，然后在剪切速率为10 s－1的条件下进行粘度测量;方案3先进行10 s的预剪切，预剪切速率为1 000 s－1，然后在剪切速率为10 s－1的条件下进行粘度测量。对以上3种方案测量结果进行对比，获得剪切速率突变对表观粘度的影响。

为研究剪切速率以及凝胶剂含量对表观粘度的影响，设计了方案4、方案5和方案6。方案4研究了凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2在剪切速率连续增大条件下，表观粘度随剪切速率的变化。方案5和方案6分别测量了剪切速率为 500 s－1和 1 000 s－1条件下凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2的表观粘度大小。

表1 QNJ-1和QNJ-2粘度测量方案Table 1 Viscosity measurement scheme of QNJ-1 and QNJ-2

3 实验结果及其分析

3.1 预剪切速率对凝胶汽油表观粘度的影响

为了研究剪切速率突变对表观粘度的影响，分别在无预剪切处理和有预剪切处理后，对凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2的表观粘度进行测量。

图2为凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2在剪切速率为10 s－1的条件下测量得到的表观粘度变化曲线。

由图2中表观粘度变化曲线可知，未施加预剪切时凝胶汽油的表观粘度明显大于预先进行预剪切处理的凝胶汽油的表观粘度。图2(a)表示凝胶汽油QNJ-1在表1中方案1和方案2条件下表观粘度的测量结果，未施加预剪切时，平均表观粘度为4.62 Pa·s，预先进行了剪切速率为500 s－1的预剪切处理后，测得的平均表观粘度为2.59 Pa·s，预剪切导致了表观粘度的绝对值减小了 2.03 Pa·s，相对值降低了 43.91%。图2(b)表示凝胶汽油QNJ-2在表1中方案1和方案2条件下表观粘度的测量结果，未施加预剪切时，平均表观粘度为5.87 Pa·s，施加了预剪切时平均表观粘度为3.53 Pa·s，预剪切导致了表观粘度绝对值减小了2.34 Pa·s，相对值降低了 40.37%。对以上数据进行对比，如表2所示。

预剪切能够使凝胶汽油的表观粘度显著降低。经过剪切速率相同的预剪切处理后，虽然高凝胶剂含量的凝胶汽油QNJ-2由预剪切引起的表观粘度的绝对量减小较大，但QNJ-1的表观粘度相对量减小却较大。因此，在预剪切速率相同时，凝胶剂含量越低表观粘度受预剪切的影响越大。

图2 预剪切速率为500 s－1和无预剪切时QNJ-1及QNJ-2表观粘度随时间的变化Fig.2 History of apparent viscosity of QNJ-1 and QNJ-2 with pre-shear and without pre-shear

表2 预剪切对QNJ-1和QNJ-2粘度影响的比较Table 2 Influence of pre-shear on viscosity on QNJ-1 and QNJ-2

图3为凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2在表1中方案1和方案3条件下表观粘度的测量结果。图3(a)表示QNJ-1的表观粘度变化曲线，无预剪切时，平均表观粘度为4.62 Pa·s，施加了预剪切后平均表观粘度为1.14 Pa·s，预剪切导致了表观粘度的绝对值减小了3.48 Pa·s，相对值降低了75.32%;图3(b)表示QNJ-2的表观粘度变化曲线，无预剪切时，平均表观粘度为5.87 Pa·s，施加了预剪切后平均表观粘度为2.12 Pa·s，预剪切引起了表观粘度的绝对值减小3.75 Pa·s，相对值降低了63.88%。将图3的数据与图2进行对比，如表3所示，凝胶剂含量相同时，不同预剪切速率对表观粘度的影响不同，预剪切速率越高，表观粘度的减小量越大。

图3中，凝胶汽油QNJ-1、QNJ-2无预剪切时的表观粘度变化曲线平均值分别为 4.62 Pa·s和5.87 Pa·s。曲线中QNJ-1和QNJ-2的第一个测点表观粘度分别为5.01 Pa·s 和 6.08 Pa·s，明显大于平均值。这是由于凝胶汽油具有一定的触变性，初始剪切时，表观粘度有所降低。

图3 预剪切速率为1 000s－1和无预剪切时QNJ-1 QNJ-2表观粘度的变化Fig.3 Histories of apparent viscosity of QNJ-1 and QNJ-2 with pre-shear and without pre-shear

表3 不同预剪切速率对QNJ-1和QNJ-2表观粘度的影响Table 3 Effects of different pre-shear rate on apparent viscosity of QNJ-1 and QNJ-2

从图2、图3中有预剪切条件下凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2的表观粘度变化曲线可知，刚刚撤除预剪切时，表观粘度较小，随着时间的延长，其表观粘度不断增大，但增幅越来越小，最终达到一个稳定值。这是由于，初始阶段高预剪切速率导致凝胶汽油的表观粘度较小，随着时间的增长，凝胶汽油在稳定的低剪切速率下进行粘度测量，其表观粘度有所恢复。但表观粘度无法恢复到无预剪切处理时凝胶汽油的表观粘度值。由此间接说明凝胶汽油的触变性具有有限可逆性。

3.2 凝胶剂含量和剪切速率对表观粘度的影响

剪切速率和凝胶剂含量都会导致凝胶汽油的表观粘度发生改变。图4为凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2在剪切速率连续变化时的表观粘度变化曲线，与表1中方案4相对应。由图4分析可知，当剪切速率由180 s－1增长到500 s－1时，凝胶汽油的表观粘度不断减小。且从曲线变化趋势可看出，在初始阶段表观粘度的下降幅度较大，随着剪切速率的不断增大，粘度-剪切速率曲线越来越平滑。剪切速率从180 s－1增加到300 s－1时，QNJ-1的表观粘度降低了 0.213 Pa·s，QNJ-2的表观粘度降低了 0.224 Pa·s;剪切速率从 300 s－1增加到500 s－1时，QNJ-1 的表观粘度降低了 0.069 Pa·s，QNJ-2的表观粘度降低了0.074 Pa·s。由此可知，在低剪切速率下，凝胶汽油的表观粘度易受剪切速率的影响，剪切速率较小的改变就能引起表观粘度的较大变化。而当剪切速率增大到一定值时，表观粘度变化曲线呈现出平滑趋势，说明剪切速率的增加对表观粘度的影响越来越微弱。

图4 剪切速率的变化对凝胶汽油表观粘度的影响Fig.4 Influence of the changes of shear rate on apparent viscosity of the gelled propellant

对图4数据处理，如表4所示，剪切速率从180 s－1增加到500 s－1，凝胶汽油 QNJ-1的表观粘度降低了0.282Pa·s，占初始表观粘度的 98.05%;凝胶汽油QNJ-2的表观粘度降低了0.298 Pa·s，占初始表观粘度的88.09%。由此可见，虽然凝胶汽油QNJ-2的表观粘度降低得更多，但就相对量来说，QNJ-1的表观粘度更容易受剪切速率变化的影响。这是由于有二氧化硅凝胶剂的存在，凝胶汽油内部形成一种立体的网状结构，凝胶剂含量越多，这种网状结构的“网眼”就越密，其表观粘度也越大。剪切力破坏了这种立体的网状结构，表观粘度降低。但剪切力并不能完全将网状结构破坏，而是将完整的网状结构剪切破坏成许多大小不同的网状颗粒分散在凝胶汽油之中，这些颗粒内部仍保持着立体网状结构。凝胶剂含量越高，剪切后凝胶汽油中的网状颗粒的比例就越多，其相对表观粘度下降量也越小。

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

由图4中QNJ-1和QNJ-2的表观粘度变化曲线可看出，当凝胶剂含量增加时，凝胶汽油的表观粘度也增大。而且在不同的剪切速率下，表观粘度的增加量也不同。在剪切速率为180 s－1的工况下，QNJ-2的表观粘度比QNJ-1的表观粘度大0.05 Pa·s;剪切速率为500 s－1时，QNJ-2的表观粘度比QNJ-1的表观粘度大0.03Pa·s。可见，低剪切速率条件下凝胶剂含量对表观粘度的影响更大。

在不同的剪切速率下，凝胶剂的含量对凝胶汽油表观粘度的影响不同。图5表示凝胶汽油QNJ-1和QNJ-2在方案5和方案6条件下测得的表观粘度变化曲线。

图5 不同剪切速率与凝胶剂含量条件下表观粘度随时间的变化Fig.5 History of apparent viscosity with different shear rate and gel content

由图中4条曲线的变化趋势可知，凝胶汽油的表观粘度在初始阶段迅速降低，经过一定的时间后凝胶汽油的表观粘度趋于稳定。这是由于凝胶汽油具有触变性，静止状态的凝胶汽油突然受到较大的剪切力，从而导致初始阶段表观粘度迅速降低。分析图5可知，当剪切速率稳定在500 s－1时，QNJ-1和QNJ-2的表观粘度大小都在10－3Pa·s数量级，QNJ-1的平均表观粘度为 3.8×10－3Pa·s，QNJ-2 的平均表观粘度为6.7×10－3Pa·s，QNJ-2 的表观粘度比 QNJ-1 大 2.9×10－3Pa·s。当剪切速率为 1 000 s－1时，二者的表观粘度大小在10－4Pa·s数量级，QNJ-1的平均表观粘度为1.5×10－4Pa·s，QNJ-2 的平均表观粘度为 5.5×10－4Pa·s，QNJ-2 的表观粘度比 QNJ-1 大 4.0×10－4Pa·s。由图2(a)可知，剪切速率为10 s－1时，QNJ-1和 QNJ-2的平均表观粘度分别为 4.62 Pa·s和 5.87 Pa·s，QNJ-2的表观粘度比 QNJ-1 大 1.25 Pa·s。

由以上对图5的分析，并与图3中无预剪切条件下凝胶汽油在剪切速率为10 s－1时的表观粘度对比，如表5所示。随着剪切速率的增大，凝胶剂含量对表观粘度的影响越来越小，QNJ-1和QNJ-2的表观粘度差别也越小，并有趋向一致的趋势。

表5 凝胶剂含量对表观粘度的影响Table 5 Influence of gel content on apparent viscosity

4 结论

(1)二氧化硅/汽油凝胶燃料的表观粘度受凝胶剂含量和剪切速率的影响:凝胶剂含量高、剪切速率低时，凝胶汽油的表观粘度较大。不同的剪切速率条件下，凝胶剂含量对表观粘度的影响不同，低剪切速率情况下，凝胶剂含量的变化引起的表观粘度变化幅度较大;不同凝胶剂含量条件下，剪切速率对表观粘度的影响也不同，低凝胶剂含量情况下，剪切速率的变化对表观粘度的影响也较大。

(2)随着剪切速率的不断增加，凝胶汽油的表观粘度不断减小，但减小幅度越来越小;在高剪切速率下，表观粘度有趋于定值的趋势。

(3)预剪切可有效地降低凝胶汽油的表观粘度，且预剪切速率越高，表观粘度的降低幅度越大。预剪切对不同凝胶剂含量的凝胶汽油的表观粘度影响不同:相对于高凝胶剂含量的凝胶汽油，低凝胶剂含量的凝胶汽油的表观粘度更容易受预剪切的影响。

(4)该种凝胶汽油具有有限可逆的触变性。

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(编辑: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。

国家自然科学基金(11372141);国家自然科学青年科学基金(11002074);高等学校博士学科点专项科研基金(20113219120045);中央高校基本科研业务费专项资金(30920130112007)。

杨建鲁(1987—)，男，博士生，研究方向为爆轰推进技术。E-mail:yang.jianlu@163.com

翁春生(1964—)，男，教授。E-mail:wengcs@126.com