Инерционный способ измерения вязкости

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента динамической вязкости текучих сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от скорости сдвига, давления и температуры. Способ измерения вязкости включает прокачку испытуемой среды через канал круглой формы поперечного сечения и определение параметров движения среды, а именно касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала, по которым определяют вязкость среды. При этом канал имеет замкнутую форму тора, а прокачка испытуемой среды происходит под действием сил инерции и трения среды, возникших в результате резкой остановки вращающегося вокруг своей оси тора. Техническим результатом является повышение точности определения вязкости сред со сложными реологическими свойствами, зависящими одновременно от скорости сдвига, давления и температуры в широком диапазоне перечисленных параметров. 3 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента динамической вязкости текучих сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от скорости сдвига, давления и температуры.

Известен способ измерения коэффициента динамической вязкости (далее вязкости) сред, включающий определение момента силы трения на поверхности погруженного в испытуемую среду шпинделя формы цилиндр (конус, диск) при различных скоростях сдвига для испытуемой и эталонной сред (Мидлман С. Течение полимеров. Пер. с англ. Ю.Н.Панова под ред. А.Я.Малкина. - М.: Мир, 1971. - 360 с.). Способ реализован в ротационных вискозиметрах (Мидлман С. Течение полимеров. Пер. с англ. Ю.Н.Панова под ред. А.Я.Малкина. - М.: Мир, 1971. - 360 с.). Недостатком способа является невозможность создания на поверхности шпинделя условий однородности полей механических величин, что ведет к возникновению погрешности расчета касательных напряжений, сдвиговых скоростей деформаций и, как следствие, вязкости. Другим недостатком способа является сложность конструкции устройства, реализующего измерение вязкости при различных значениях гидростатического давления в испытуемой среде. Существенным совпадающим признаком аналога с заявляемым изобретением является процедура измерения момента силы трения на поверхности контакта среды и элемента устройства измерения вязкости.

Наиболее близким по физическим условиям течения испытуемой среды является способ, включающий прокачку испытуемой среды через канал известного размера и определение напряжения и скорости сдвига на стенке канала (Патент СССР №1716388, МПК G01N 11/04, опубл. 1992 г.). Способ реализован в капиллярных вискозиметрах. Недостатком способа является невозможность создания в объеме и на поверхности канала условий однородности гидростатического давления, так как процесс течения испытуемой среды обеспечивается именно перепадом давления по длине канала, что ведет к невозможности исследования сред, реологические свойства которых зависят от величины гидростатического давления. Существенными совпадающими признаками аналога (прототипа) с заявляемым изобретением являются физические условия течения, а именно реализация Пуазейлевского течения (Мидлман С. Течение полимеров. Пер. с англ. Ю.Н.Панова под ред. А.Л.Малкина. - М.: Мир, 1971. - 360 с.), а также наличие процедуры определения касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в получении способа измерения вязкости сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от скорости сдвига, давления и температуры.

Поставленная задача достигается тем, что в отличие от прототипа течение испытуемой среды происходит в замкнутом канале формы тор под действием сил инерции и трения. Такое течение при определенных геометрических, кинематических и статических параметрах устройства обеспечивает с требуемой точностью выполнение требуемых условий однородности полей термомеханических величин. Определение величин касательного напряжения, скорости сдвиговой деформации и температуры испытуемой среды на поверхности тора, а также гидростатического давления во всем объеме тора, позволяет определить величину вязкости при различных значениях выше перечисленных параметров. Предлагаемый способ заключается в плавном разгоне и резкой остановке тора с испытуемой средой с последующим в процессе инерционного торможения измерением момента силы трения и профиля скорости среды вблизи стенки тора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

По сути, вязкость является коэффициентом пропорциональности между компонентами девиатора напряжений и девиатора скоростей деформаций в обобщенном законе Р.Гука, описывающем реологическое поведение изотропных вязкопластичных сред в рамках основных положений механики сплошных сред и безмоментной теории напряжений (Кучеряев Б.В. Механика сплошных сред (теоретические основы обработки давлением композитных металлов с задачами и решениями, примерами и упражнениями): Учебник для вузов. М.: МИСиС, 2006. - 604 с.):

D σ = 2 μ D ξ , ( 1 )

где Dσ - девиатор напряжений с компонентами sij;

µ - вязкость;

Dξ - девиатор скоростей деформаций с компонентами eij.

Поэтому для определения вязкости необходимо знать значения соответствующих компонент тензора напряжений и скоростей деформаций в какой-либо малой окрестности движущейся среды. В случае если поля физических величин обладают свойством однородности на какой-то поверхности и (или) в каком-то объеме, то значения выше названных компонент могут быть определены по сравнительно легко измеряемым интегральным характеристикам. Например, по известному моменту силы трения на поверхности контакта с испытуемой средой при условии, что вид напряженного состояния известен и напряженное состояние является однородным, на этой поверхности можно легко найти значение касательного напряжения.

Рассмотрим изотермическое инерционное тормозящееся течение вязкой несжимаемой среды в канале формы тор, характеризуемом радиусом образующей окружности r и расстоянием от центра оси симметрии тора до центра образующей окружности R. Среда закачана в тор под давлением p 0 0 . Исследуется инерционное движение среды, возникшее в результате резкой остановки тора. До момента остановки тор достаточное количество времени вращался с угловой скоростью ω0, поэтому угловая скорость всех материальных частиц среды одинакова и равна ω0, средняя линейная скорость составляет V00R. В начальный момент времени тор останавливается, среда при этом продолжает движение под действием сил инерции и трения. Предполагается, что в исследуемый промежуток времени действие силы гравитации незначительно, а движение среды происходит по стационарным линиям тока, образованным множеством соосных окружностей. Вводятся криволинейные ортогональные координаты: β1 - радиальная координата в плоскости образующей окружности, 0≤β1≤r; β2 - угловая координата в плоскости, перпендикулярной оси тора, 0≤β2≤2π; β3 - угловая координата в плоскости образующей окружности, перпендикулярной оси тора, 0≤β3≤2π. Коэффициенты Г.Лямэ hi преобразования координат составят:

h 1 = 1, h 2 = β 1 cos ( β 3 ) + R , ( 2 ) h 3 = β 1 .

В криволинейных координатах скорость движения среды характеризуется однокомпонентным вектором скорости V = [ [ 0, V 2 ,0 ] ] , компоненты девиатора скоростей деформаций согласно формуле Дж.Стокса (Кучеряев Б.В. Механика сплошных сред (теоретические основы обработки давлением композитных металлов с задачами и решениями, примерами и упражнениями): Учебник для вузов. М.: МИСиС, 2006. - 604 с.) определяются по формуле:

e 12 = 1 2 ( V 2 β 1 V 2 h 2 h 2 β 1 ) , e 23 = 1 2 1 h 3 ( V 2 β 3 V 2 h 2 h 2 β 3 ) . ( 3 )

Уравнения движения с учетом симметрии полей исследуемых термомеханических величин относительно оси тора ∂/∂β2=0, что для поля скоростей совпадает с условием несжимаемости среды, имеют вид:

p 0 β 1 = ρ ж V 2 2 h 2 h 2 β 1 , V 2 t = 1 h 2 2 h 3 ρ ж [ β 1 ( h 2 2 h 3 s 12 ) + β 3 ( h 2 2 s 23 ) ] , ( 4 ) p 0 β 3 = ρ ж V 2 2 h 2 h 2 β 3 ,

где p0 - гидростатическое давление;

ρж - плотность среды (жидкости).

Используя аппарат теории подобия и анализа размерностей, можно выполнить оценку геометрических параметров тора, начальной скорости его вращения, а также свойств среды, при которых характеристики напряженно-деформированного состояния движущейся среды на поверхности тора и поле давления во всем объеме тора будут с достаточной степенью точности однородны. Процедура обезразмеривания переменных величин представлена в таблице 1. В качестве обезразмеривающей величины вязкости µ0 предлагается использовать вязкость, близкой по свойствам ньютоновской жидкости, а в качестве обезразмеривающей величины времени t0 - время инерционного движения среды с момента остановки тора до момента остановки среды.

Компоненты градиента скорости ∂V2/∂β1 и (1/h3)(∂V2/∂β3) вблизи поверхности тора можно сравнить в начальный момент времени, тогда компонента ∂V2/∂β1 обусловлена перепадом в результате условия прилипания среды к неподвижной стенке тора и при допущении о линейности составит приблизительно ∂V2/∂β1≈ω0R/r, компонента (1/h3)(∂V2/∂β3) обусловлена разницей окружных скоростей и составит приблизительно (1/h3)(∂V2/∂β3)≈ω02r/πr. Отношение компонент градиента составит приблизительно R/r, поэтому при значительной разнице радиусов вкладом компоненты градиента (1/h3)(∂V2/∂β3) в вектор градиента можно пренебречь.

Таблица 1
Обезразмеривание параметров уравнений (1)-(4)
Обозначение безразмерной величины Способ определения безразмерной величины Пределы изменения безразмерной
величины (если известны)
β ˜ 1 β1/r 0 β ˜ i 1
β ˜ 2 β2/2π
β ˜ 3 β3/2π
h ˜ 2 h2/r R / r h ˜ 2 1 + R / r
h ˜ 3 h3/r 0 h ˜ 3 1
V ˜ 2 V2/V 0 0 V ˜ 2 1
ξ ˜ i j ij/V0 -
p ˜ 0 p 0 / p 0 0 -
s ˜ i j ( 2 μ 0 V 0 / r ) μ ˜ ξ ˜ i j -
t ˜ t/t0 0 t ˜ 1

С целью оценки значимости отдельных членов в уравнениях (1)-(4) вводятся безразмерный геометрический критерий γ=r/R, число Рейнольдса Re=(rV0ρж)/µ0, число Струхаля Sh=r/(t0V0) и аналог числа Эйлера E u ˜ = p 0 0 / ( ρ ж V 0 2 ) . Порядок величин компонент девиатора скоростей деформаций и правых частей уравнений движения представлен в таблице 2.

Таким образом, при условии малости геометрического параметра (γ≤10-2) можно с погрешностью порядка γ утверждать, что компоненты девиатора скоростей деформаций (3) имеют вид:

e 12 = 1 2 V 2 β 1 , e 23 = 0. ( 5 )

Девиатор скоростей деформаций (5) однороден по всей поверхности тора. Для выполнения с заданной точностью условия однородности поля давления p0 по всему объему тора гидродинамический напор ρ ж V 0 2 следует выбирать согласно рекомендациям, приведенным в таблице 3.

Таблица 2
Порядок величин членов уравнений (1)-(4)
Элемент математической модели Физическая величина или слагаемое уравнения Порядок величины Примечание
Девиатор скоростей деформаций D ξ = e i j 2 e ˜ 12 V ^ 2 / β ˜ 1 γ γ≤10-2
2 ξ ˜ ˜ 23 ( 1 / h ˜ 3 ) ( V ˜ 2 / β ˜ 3 ) γ γ ( V ˜ 2 / β ˜ 1 1 )
Уравнение движения:
проекция на ось β1 p ˜ 0 β ˜ 1 γ E u ˜ γ≤10-2
проекция на ось β2 V ˜ 2 t ˜ 1 Re 1 S h [ s ˜ 12 + s ˜ 12 / ˜ β 1 + γ ] γ≤10-2
проекция на ось β3 p ˜ 0 β ˜ 3 γ E u ˜ γ≤10-2
Таблица 3
Условия однородности поля давления
γ p 0 0 ,  Па Рекомендуемая величина гидродинамического напора, Па Порядок величины перепада давления по направлению, Па
0≤β1≤r 0≤β3≤π
10-2 105 ρ ж V 0 2 10 5 10 2 p 0 0
10-3 105 10 3 p 0 0
10-2 106 ρ ж V 0 2 10 6 10 2 p 0 0
10-3 106 10 3 p 0 0

Таким образом, при выполнении условий малости геометрического параметра (γ≤10-2), а также кинематических и статических условий

таблицы 3 можно с точностью порядка 100% и меньше определять вязкость испытуемой среды по формуле:

μ = s 12 / ( V 2 β 1 ) . ( 6 )

Компонента девиатора напряжений s12 является, по сути, касательным напряжением на поверхности тора, возникающим по причине инерционного тормозящегося течения испытуемой среды, и может быть определена на поверхности тора по известному моменту силы трения М:

s 12 = M / ( 0 2 π 0 2 π ( r cos β 3 + R ) 2 r d β 2 d β 3 ) M / ( 2 π 2 R 2 r ) . ( 7 )

Градиент скорости ∂V2/∂β1 может быть определен по результатам измерения скорости течения с помощью доплеровского измерителя скорости (Мидлман С. Течение полимеров. Пер. с англ. Ю.Н.Панова под ред. А.Я.Малкина. - М.: Мир, 1971. - 360 с.).

Способ осуществляется следующим образом.

В тор под давлением p 0 0 закачивается испытуемая среда. Затем тор плавно разгоняется до угловой скорости ω0, удовлетворяющей рекомендациям по величине гидродинамического напора (таблица 3), и резко останавливается. После остановки тора жидкость продолжает движение, в течение этого времени показания датчиков скорости и крутящего момента передаются на ЭВМ. Затем в фиксированный момент времени вычисляется величина касательного напряжения на поверхности тора по формуле (7) и градиент скорости жидкости на поверхности тора в виде конечно-разностного аналога производной: ∂V2/∂β1≈ΔV2/Δβ1. По формуле (6) определяется вязкость.

Предложенный способ измерения вязкости позволяет исследовать вязкость сред со сложными реологическими свойствами, зависящими одновременно от скорости сдвига, давления и температуры в широком диапазоне выше названных параметров. Выработанные рекомендации по выбору параметров и условий исследования позволяют производить высокоточные измерения вязкости.

Способ измерения вязкости, включающий прокачку испытуемой среды через канал круглой формы поперечного сечения и определение параметров движения среды, а именно касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала, по которым определяют вязкость среды, отличающийся тем, что канал имеет замкнутую форму тора, а прокачка испытуемой среды происходит под действием изменяющихся во времени сил инерции и трения среды, возникших в результате резкой остановки вращающегося вокруг своей оси тора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям вязкости анизотропных жидкостей, т.е. жидкостей, которые имеют разные величины вязкости в зависимости от геометрии измерений и скорости сдвигового потока.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости жидкостей. .

Изобретение относится к охране природных ресурсов и может быть использовано при мониторинге природных сред в нефтедобывающих районах. .

Изобретение относится к области исследования вязкостных свойств жидких сред. .

Изобретение относится к медицине, а именно к биохимии, и может быть использовано для определения реологических характеристик биологических жидкостей (моча, кровь, лимфа и др.).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям вязкости неньютоновских жидкостей. .
Изобретение относится к измерению целенаправленных изменений физико-химических свойств воды и водных растворов, подвергнутых энергоинформационному воздействию. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения вязкости жидкостей. Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей включает прокачку их через канал, а вязкость определяется из выражения , где: ηС - вязкость неньютоновской жидкости, Па·с; NС - полезная мощность, затрачиваемая на секундный сдвиг, Вт; r - радиус внутренней поверхности трубы, м; rСР - средний радиус потока неньютоновской жидкости, м; - средняя скорость потока водной суспензии, м·с-1; t - время истечения струи суспензии из насадки, с. Техническим результатом является упрощение способа определения вязкости неньютоновских жидкостей, главным образом, за счет использования в качестве входных параметров, значений мощности, затрачиваемой на секундный сдвиг, полученной с помощью измерительной техники.

Изобретение относится к области реологии разбавленных растворов полимеров, а также поверхностно-активных веществ (ПАВ), и может быть использовано для определения эффективности противотурбулентных присадок (ПТП), используемых при перекачке углеводородных жидкостей по трубопроводам. Турбулентный реометр содержит установленные на штативе расходную емкость с шаровым краном и трубкой Мариотта, трубку малого внутреннего диаметра для прохождения маловязкой углеводородной жидкости в турбулентном режиме течения, электромагнитный клапан с реле времени для задания отрезка времени открытия клапана, приемную емкость и технические весы для измерения массы жидкости в приемной емкости. Способ определения эффективности ПТП заключается в том, что в расходную емкость через шаровый кран заливают маловязкую углеводородную жидкость, закрывают шаровый кран для обеспечения поддержания постоянного давления в расходной емкости, задают посредством реле отрезок времени и запускают открытие электромагнитного клапана. После автоматического срабатывания реле времени закрывается электромагнитный клапан, после чего взвешивают на технических весах наполненную приемную емкость. После этого вводят в жидкость ПТП в определенной концентрации, выполняют вышеперечисленные действия и вычисляют снижение гидродинамического сопротивления после введения ПТП. Вышеперечисленные действия выполняют для ряда значений концентраций ПТП в жидкости и затем оценивают эффективность ПТП, получая зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления от значения концентрации ПТП. Техническим результатом является упрощение конструкции турбулентного реометра и повышение надежности результатов измерений эффективности ПТП. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента динамической вязкости текучих сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от сдвиговых скоростей деформаций, давления и температуры. Инерционный способ измерения вязкости включает прокачку испытуемой среды через канал формы тор под действием изменяющихся во времени сил инерции и трения среды, возникших в результате резкой остановки вращающегося вокруг своей оси тора, и определение параметров движения среды, а именно касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала. При этом в процессе инерционного движения среды измеряют только момент результирующей силы трения, по значениям которого в каждый момент времени определяют величину касательного напряжения, затем численным решением уравнения движения сплошной среды определяют сдвиговую скорость деформации и вязкость. Техническим результатом является повышение точности при минимальном количестве измеряемых параметров определять вязкость сред со сложными реологическими свойствами, зависящими одновременно от сдвиговых скоростей деформаций, давления и температуры в широком диапазоне перечисленных параметров. 2 табл.
Наверх