Способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа при одновременном повышении производительности труда за счет определения зависимости вязкости от скорости сдвига. Поставленная цель достигается тем, что а способе, включающем прокачку жидкости через капилляр и определение напряжения и скорости сдвига на стенке капилляра , дополнительно определяют профиль скорости в капилляре, напряжение и скорости сдвига по всему сечению потока, а зависимости вязкости и скорости сдвига определяют из выражения г Testify (х), где цвязкость жидкости Па-с.-Их) - напряжение сдвига, Па;у(х) - скорость сдвига, в точке х соответственно.

!

Ы 17)б388 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>)s G 01 N 11/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Изобретение относится к измеритель- скорости течения зависимости вязкости от ной технике, а именно к способам измере- скорости сдвига. Для получения такой фунния вязкости. кциональной связи необходимо проведение

Известен способ измерения вязкости серии замеров, что требует большого време- б жидкости, включающий определение вре- ни испытаний, особенно при работе в обламени истечения фиксированного объема сти малых скоростей сдвига. .о жидкости через капилляр известного сече- Кроме того, работа в широком диапазо- А) ния. не изменения скорости сдвига требует при- (ф ггедоствтком етого метода является нв- ..менения набора приборов, так как не оу воЗмо кность измерения вязкости жидко- удается создать капиллярный вискозиметр,. сти, проявляющих . неньютоновские обладающий соответствующими функоиосвойства. нальными воэможностями. Л

Наиболее близким к изобретению явля- Цель изобретения — расширение функется способ, включающий прокачку жидко-:. циональных возможностей способа за счет сти через канал известного размера, определения зависимости вязкости от ско-. определение напряжения и скорости сдвига рости сдвига при заданном расходе жидкона стенке канала. " сти.

Недостатком этого способа является.ме- .; " Поставленная цель достигается тем, что возможность определения при заданной в способе, включающем прокачку жидкости (21) 4698450/25 (22) 30.05,89 (46) 29.02,92. Бюл. N 8 (71) Всесоюзный нефтегазовый научно-исследовательский институт (72) Ю.B.Капырин, А.М. Полищук, В.В. Балакин, С,Н. Ефименко, Н.В. Краснопевцева и

А,И. Митюшин (53) 538.137(088.8) (56) Мидлман С. Течение полимеров. М.:

Мир, 1971, Цветков В.Н., Эскин В.Е. и Френкель

С,Я. Структура макромолекул в растворах.

М.: Наука, 1964. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ

НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа при одновременном повышении производительности труда за счет определения зависимости вязкости от скорости сдвига. Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем прокачку жидкости через капилляр и определение напряжения и скорости сдвига на стенке капилляра, дополнительно определяют профиль скорости в капилляре, напряжение и скорости сдвига по всему сечению потока, а зависимости вязкости и скорости сдвига определяют из выражения у = F66/; (х), где — вязкость жидкости Па с;р(х) — напряжение сдвига, Па;у(х) — скорость сдвига, с в точке х соответственно.

1716388 через капилляр известного размера и определение напряжения и скорости сдвига на стенке канала, дополнительно определяют профиль скорости в канале, з зависимости вязкости от скорости сдвига определяют из выражения — (х) - г((х)), У (1) где - вязкость жидкости, Па с; г(х) - напряжение сдвига, Па; (8) <Гг

dV

Из уравнений (9) и (5) получим выражение

ДЛЯ ВЯЗКОСТИ

ЬРг

6Ч7б r б Ч/б г 2 L где hP — перепад давления в капилляре на участке длиной L; (х) — скорость сдвига, (с ) в точке х соответственно.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Рассмотрим течение жидкости в канале круглого сечения (фиг. 1). Перепад давления на участке длиной L составляет hP. Тогда для установившегося простого сдвигового течения сила, действующая на цилиндр жидкости радиуса r, составит величину

F = ЛР г. Р)

С,другой стороны, выражение для силы трения, действующей на этот цилиндр, имеет вид

Рг=2жг т1., (3) где t- касательное напряжение.

Для простого сдвигового течения в установившемся режиме имеет место равенство

F1 = F2, т.е. h Рл Р - 2ж rr L . (4)

Из уравнения (4) следует х =-2 —. (5)

ЬРг

Распределение скорости bio сечению для ламинарного движения в трубе описывается выражением

V = Чмакс (1;-(д) ) (6)

Тогда градиент скорости равен бч 2r — -,Чмакс -. — - ... (7)

dr . R

Учитывая, что в простом сдвиговом течении максимальная скорость равна удвоенной средней скорости, градиент скорости на стенке равен

° ° dV « 4Q

dr ô где 0 — расход жидкости.

Из закона Ньютона для жидкости известна связь между скоростью сдвига и напряжением

dV/dr- градиент скорости в точке измерения;

r. — текущая координата вдоль радиуса канала, 5 Используя выражение (10). и экспериментально измеренные величины; r; hP; L; бЧ/ог, можно определить вязкость жидкости, При атом для ньютоновских жидкостей для определения вязкости д достаточно из10 мерить градиент скорости dV/dr в одной точке потока.

Для неньютоновских жидкостей этого недостатбчно, так как вязкость таких жидкостей завибит от скоростей сдвига (градиента

15 скорости).

В пр©стом сдвиговом течении, зная профиль скорости, можно определить градиент скорости в каждой точке поперечного сечения потока, а следовательно, и зависи20 мость вязкости, определяемой выражениями (1) и (10), от скорости сдвига в широком диапазоне изменения этого параметра. Для этого необходимо точное значение профиля скорости, Применение метода лазерной до25 плеровской анемометрии, обладающей высокой точностью и быстротой определения, позволяет решить эту проблему.

Рассмотренный способ, как и все известные, позволяет определять вязкость жид30 костей только при простом сдвиговом течении. При более сложном течении, т,е. когда вязкость зависит от компонент тензора напряжения, известные методы не могут быть применены, Предложенный способ по35 зволяет измерить все компоненты вектора скорости и определить вязкость иэ следующей более общей зависимости

Vl V (11)

40 ах, +ax гдер-плотность жидкости; . Ч, Yj — компоненты вектора скорости, м/с; avi ач — соответствующие компоал, ах, ненты скоростей сдвига, с

На фиг. 1 изображен канал круглого сечения, используемого для вывода соотношения (10); на фиг. 2 — установка для

50 осуществления способа; на фиг. 3- профиль скоростидля раствора биополимера; на фиг. . 4- зависимость вязкости от скорости сдвига для этого полимера.

Способ. осуществляется следующим. об55 разом.

Через цилиндрический канал известного сечения. прокачивается жидкость. При этом должны соблюдаться условия для осуществления простого сдвигового течения..

1716388

На участке между точками 1 и 2 с расстоянием между ними L измеряют перепад давления ЛР.

С помощью лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) осуществляют измере- 5 ние профиля скорости, После этого находят производную скорости по радиусу (градиент скорости) в ка>кдой точке поперечного сечения.

Зная скорость сдвига (градиент скоро- 10 сти) в каждой точке поперечного сечения r u перепад давления АР, определяем вязкость из выражения 7 = т(у(г) т.е. определяем зависимость вязкости от 15 скорости сдвига, Для осуществления способа была создана установка, состоящая из гидродинамической части, в которой реализовано простое сдвиговое течение с воэможностью 20 измерения перепада давления на определенном участке измерительной части, предназначенной для определения профиля скорости (фиг. 2).

Для бесконтактного измерения профи- 25 ля скорости был создан лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) с инверсно-дифференциальной схемой (фиг. 2).

В качестве источника когерентного излучения использовался лазер с длиной волны 1= 30

0,63 мкм и мощностью 15 мВт (тип ЛГ-52/1).

Луч лазера 1 проходит через объектив 2 и фокусируется в исследуемом потоке 3. Далее он проходит через линзу 4, передний фокус которой совпадает с задним фокусом 35 объектива 2. После прохождения линзы 4 лазерный луч параллельным пучком падает на уголковый отражатель 5. Отражаясь от него, луч идет в обратном направлении. Таким образом, образуется дополнительный 40 резонатор, состоящий иэ выходного зеркала и уголкового отражателя 5, Применение уголкового отра>кателя позволяет значительно снизить чувствительность ЛДА к вибрациям. 45

Свет, рассеянный из области измерения, пройдя через объектив 2, пространственно-частотный фильтр 6, зеркало 7, 8, попадает на фотоп риемник 9 (ФЭУ-79)..Пространственно-частотный фильтр 6 пред- 50 ставляет собой экран с тремя отверстиями (для измерения одной компоненты вектора скорости), Одно отверстие находится на oriтической оси и через него проходит зондирующий лазерный луч. Два другие 55 отверстия находятся на одинаковом расстоянии от центра первого отверстия, зеркала

7 и 8 служат для пространственного совме- . щения параллельных пучков рассеянного света, На пути одного из пучков рассеянного света находится устройство сдвига частоты — частотный модулятор 10, который служит для начального сдвига частоты, что позволяет устранить неопределенность в направлении измеряемой скорости.

Одновременно начальный частотный сдвиг позволяет увести обрабатываемый сигнал иэ области низкочастотных шумов, что дает возможность измерять малые скорости исследуемого потока. Для выделения доплеровского сигнала использовался спектроаналиэатор (тип СК-4-58).

В качестве гидродинамического канала использовался стеклянный капилляр 11 с внутренним диаметром 7 мм и длиной L =

450 мм, Канал помещался на специальном столике с необходимым числом степеней свободы. В капилляре 11 были сделаны патрубки 13, 14 для измерения перепада давления. Скорость течения жидкости и величина начального участка выбиралась с условием создания простого сдвигового течения (ламинарного течения). Расход жидкости поддерживался постоянным с помощью сосуда, иэ которого жидкость вытекала в капилляр.

Перемещением капилляра вдоль луча определяют величину скорости в каждой точке сечения капилляра, а тем самым определяется профиль скорости. Эти данные для воды и раствора экзополисахарида

Acinotobacter концентрацией 0,05 представлены на фиг. 3. Для каждой точки поперечного сечения канала определяется-dV jdr и, подставляя это значение в выражение (10), находим зависимость вязкости от скорости сдвига, что достаточно хорошо совпадает с известными данными (фиг. 4), Раствор полисахарида проявляет неньютоновские свойства в широком диапазоне скоростей сдвига.-Выше описан способ измерения зависимости вязкости неньютоновской жидкости от скорости сдвига в простом сдвиговом течении при постоянном (одном и том же) расходе.

В ряде случаев для увеличения точности измерений целесообразно проводить измерения в одной точке поперечного сечения потока, но меняя расход жидкости (максимальную скорость) и тем самым меняя градиент скорости. При этом следует постоянно следить за сохранением простосо сдвигового течения.

Таким образом, предло>кен ный способ позволяет расширить возможность известного метода измерения вязкости жидкости и ускорить проведение исследований за счет измерения в одном режиме всей зави1716388 симостй вязкости от скорости сдвига ее не одной единственной точки. Кроме того, ЛДА проводит измерения скорости с достаточно высокой точностью с высоким пространственным разрешением. Это обеспечивает возможность создания простых и высокоточных вискозиметров на основе предлагаемого способа.

Формула изобретения

Способ измерения вязкости неньюто-. новских жидкостей, включающий прокачку жидкости через капилляр, определение напряжения сдвига и скорости сдвига на стенке канала,отл ича ющийс я тем,что,с целью расширения его функциональной возможности за счет определения зависимости вязкости от скбрости сдвига, допол5 нительно определяют профиль скбрости в канале, а зависимость вязкости от скорости сдвига определяют из выражения

r юу = — (x)>

У

1О где r — вязкость жидкости, Па с;

t (х} — напряжение сдвига, Па;

j(x) — скорость сдвига, с ; х — текущая координата, 1716388 де go ip о о zр an вм. э

Фиг. 4

Составитель 8. Бакалин

Техред М,Моргентал

Редактор М.Келемеш

Корректор О.Кундрик

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 607 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-;35, Раушская наб.. 4)5