圆环流动装置测量流体流变特性的新方法

摘要

本发明对圆环流动装置测量流体流变特性提供新的方法,其特别适用于石油的流变特性的测量。由计算机直接记录下半部装有液体的圆环转动时,圆环壁面上压力传感器测量到的沿周压力变化曲线,提高判别圆环上特征点位置的分辨率,从而提高测量流体流变特性的精度;或者利用测定摩擦扭矩的数值,从沿周压力变化曲线中正确地确定流体剩储长度,从而提高测量流体的流变特性精度。

主权项

1、一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中包括下列步骤：(1)制作不同的直径D₀＝2r₀、圆管内径d₀＝2r₀的金属或塑料圆环；(2)圆环壁面在平均半径R₀处，按流体力学要求安装压力传感器；(3)将圆环装置置于可控恒温小室中，在圆环壁面安装温度传感器，以测量实验时圆环内流体的温度；(4)圆环转动由无级变速装置控制转速；(5)注入被测流体于圆环下半部；由R₀α₀＝ab＝ef，得α₀＝ab/R₀＝ef/R₀；(6)恒温小室一段时间后，选择所需要的温度和转速；启动电动机带动圆环内流体运动，记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线； (7)由圆环圆周和实测沿周压力变化曲线，得到两者的比例系数k：        2πR₀＝k(l₃＋l₄＋l₅)＝k(c′d′＋d′g′＋g′c′)，(8)由于圆环最低点d是对应压力峰值点d′，离d点和圆环周长的1/4，可以由压力曲线对应关系，由a′和f′点找到a和f点；前液面c点，于实测沿周压力变化曲线上c′对应；这样可以得到前液面角β_f＝π/2－α₀－cd/R₀＝π/2－α₀－k(c′d′/R₀)；如果正好注入半圆环液体，β_f＝π/2－cd/R₀＝π/2－k(c′d′/R₀)；(9）后液面g点，与实测沿周压力变化曲线g′对应，后液面角β_r＝dg/R₀－π/2＋α₀＝k(d′g′/R₀)－π/2＋α₀；如果正好注入半圆环液体β_r＝k(d′g′/R₀)－π/2；(10)通过h的两个公式，可以得到流体的流变特性；壁面剪应力按定义为： ${\tau }_s=\mu \frac{\partial u}{\partial r}{|}_{r=r_0}$对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面u＝u(r)；动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上流体的摩擦阻力平衡： $h{\mathrm{\pi r}}_0^2\mathrm{\rho g}={\tau }_s(L_3+L_4){2\mathrm{\pi r}}_0$或者 ${\tau }_s=\frac{{\mathrm{h\gamma }}_0\mathrm{\rho g}}{2(L_3+L_4)}$其中：r₀为圆环管内半径，ρ为流体密度，g为重力加速度；通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理； ${\frac{\partial u}{\partial r}|}_{r=r_0}=\frac{3n\text{'}+1}{n\text{'}}\frac{U_{\max }}{r_0}$式中n′为流体特征参数；n′由τ_s～4u_max/r₀双对数坐标曲线图解出；则非牛顿流体的表观粘度有： $\mu =\frac{{\tau }_s}{{\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dr}}|}_{r=r_0}}$特别地，对于牛顿流体层流流动粘度有公式：(11)通过扭矩M测量，也可以得到流体的流变特性；由充液圆环转动时的扭矩M减去相同转速下无液空环转动时扭矩M₀和液体与圆环管内摩擦力产生的磨擦扭矩相平衡：由实测压力曲线可得c′d′＋d′g′，τ_s由流体流动流态不同有不同表示。则 ${\tau }_s=\frac{M-M_0}{{2\mathrm{\pi r}}_0(\mathrm{cd}+\mathrm{dg})R_0}=\frac{M-M_0}{{2\mathrm{\pi r}}_0(c\text{'}d\text{'}+d\text{'}g\text{'}){\mathrm{kR}}_0}$对于非牛顿流体 ${\frac{\partial u}{\partial r}|}_{r=r_0}$同样可以由10得到；则 $\mu =\frac{{\tau }_s}{{\frac{\partial u}{\partial r}|}_{r=r_0}}$特别地，对于层流流动： ${\tau }_s={\mu \frac{\partial u}{\partial r}|}_{r=r_0}=\mu \frac{4}{r_0}$流体的粘度：(12)引进范宁摩擦因f_F和圆环内流体填充系数ψ ${\tau }_s=\frac{1}{2}{f}_F{\mathrm{pu}}_{\max }^2$摩擦扭矩有： $M-M_0={4\tau }_s{\pi }^2{r}_0{R}_0^2\psi$则摩擦因子为： $f_F=\frac{M-M_0}{{2\pi }^2{\mathrm{rR}}_0^2\psi {\mathrm{pu}}_{\max }^2}$当流动为层流时，摩擦因子为： $f_F=\frac{16}{\mathrm{Re}}=\frac{32\mu }{{\gamma }_0{\mathrm{pu}}_{\max }}$Re为雷诺数，则粘度为： $\mu =\frac{M-M_0}{{16\pi }^2{R}_0^2{u}_{\max }\psi }$从而我们能够得到圆环内液体填充系数ψ的准确值。