CN102323186B - 毛细管中流体剪切应力的测量方法 - Google Patents

毛细管中流体剪切应力的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毛细管中流体剪切应力的测量方法及其实现装置，属于材料测试领域。该方法包括：按毛细管中试样流体的流动状态差异将毛细管口模沿轴向截分为至少三段，入口段、中间段、出口段，只测量试样在中间段处的受力来计算毛细管内试样的剪切应力。实现这一方法的测量装置包括一料筒、一柱塞杆、一毛细管口模、一测力元件，测力元件安装在口模中间段内，可测量中间段与出口段之间的作用力。测试时料筒内的试样在柱塞杆的挤压作用下经毛细管流出，从口模中间段测得的力值变化对应着试样在口模中间段管壁处所受的剪切力。本发明彻底消除了毛细管流变仪中入口区与出口区压力降对管内流体剪切应力测量的影响，提升了毛细管流变仪的测试精度。

Description

毛细管中流体剪切应力的测量方法
技术领域
本发明涉及材料测试领域，尤其是毛细管式流变特性测试系统。
背景技术
流变仪是测定材料粘弹性指标、分析材料微观结构与宏观加工性能的关键仪器，是研究材料配方和加工工艺参数的常用工具。流变仪主要有毛细管流变仪、旋转流变仪、转矩流变仪三种，其中毛细管流变仪因为测量范围宽、物料流动与典型加工成型过程相似等优点而得到了广泛应用。
在毛细管流变仪中，毛细管内试样流体的剪切应力是求解试样剪切粘度的核心物理量之一。现有的毛细管流变仪通过安装在毛细管口模上方、料筒筒壁内的压力传感器测得毛细管入口处的流体压力，由此推算剪切应力。然而，这样测得的流体压力不仅包括了毛细管内的压力降、也包含了入口区与出口区的压力降，借助此压力值计算剪切应力必然给毛细管中流体剪切应力的计算引入了系统误差。
毛细管流变仪中剪切应力的这种系统误差目前有两种处理方式——进行Bagley修正或采用零长毛细管口模进行对比校正。Bagley修正法针对1个剪切应力需要至少3次测量数据来求解修正因子、增加了2倍近似重复的测试工作量；零长毛细管口模对比校正法需要增加1倍的测试工作量。更为关键的是，两种处理方法都只能减小测量结果的误差，不能彻底地消除毛细管入口区压力降与出口区压力降对管内流体剪切应力测量的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准确测量毛细管中流体剪切应力的方法，彻底消除毛细管流变仪中毛细管入口区与出口区压力降对管内流体剪切应力测量的影响，提升毛细管流变仪的测试精度并简化测试操作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
按毛细管中流体的流动状态差异将毛细管口模沿轴向截分为至少三段——入口段、中间段、出口段，只测量试样在中间段处的受力来计算管内试样的剪切应力。
实现这一测量方法的毛细管中流体剪切应力测量装置至少包括一料筒、一柱塞杆、一毛细管口模、一测力元件，其中毛细管口模由入口段、中间段、出口段组合而成；毛细管口模的入口段紧固地安装在料筒的底端，承载毛细管入口区的试样压力，口模中间段依赖其下方的口模出口段提供的压力紧贴在入口段之后，口模出口段隔着中间段挂持在口模入口段之下并紧压着口模中间段，同时承载着出口压力；口模中间段装有测力元件，可测量中间段与出口段之间的作用力大小，也可以测量中间段与入口段之间的作用力；料筒内装填有待测试样流体，柱塞杆在料筒中自上而下以设定速率挤压试样，料筒内的试样在挤压作用下经毛细管流道流出。
测试中，当试样流体在毛细管中静止不动时读取力测量值作为基准值，当试样以预定的测试速率在毛细管中流动时读取力测量值作为相应速率下的力值结果，二者的差值就是试样流体对毛细管中间段作用力的轴向分量。依据作用力与反作用力互等原理得到试样在毛细管口模中间段管壁处所受的剪切力，再除以口模中间段的毛细管表面积，即可求得该处试样的剪切应力。
上述方法测得的剪切应力不受入口压力降、出口压力降的影响，从而彻底消除了现有毛细管流变测试方法中采用入口压力计算剪切应力引入的系统误差，提升了毛细管式流变仪的测试精度，并免去了压力校正环节，从而也简化了流变测试操作。
附图说明
图1为毛细管附近流动场示意图，
图2为毛细管中流体剪切应力测试装置。
图中：1、压力传感器；2、毛细管流道；3、入口段；4、中间段；5、出口段；6、入口区；7、层流区；8、出口区；9、测力元件；10、弹性元件；11、紧固件；12、柱塞杆；13、料筒；14、试样。
具体实施方式
毛细管附近试样流体的流动场如图1所示。试样在直径宽大的料筒13中经挤压从毛细管流出，毛细管入口附近有明显的流线收敛行为，使得试样在流入毛细管一段距离后才能发展成稳定的流线平行的层流；毛细管出口附近，因为管壁约束突然消失，试样流线又随之发生变化。因此，试样在毛细管中的流动可分为三个区：入口区6、层流区7、出口区8。
现有的毛细管流变仪通过在毛细管入口区6上方的A位置安装压力传感器1来测量试样压力，以此估算毛细管内的剪切应力，这样势必引入由入口区6、出口区8压力降导致的系统误差，同时毛细管上下两端的非层流流动对剪切应力计算也有影响。
本发明按毛细管的三个流动分区将毛细管口模沿轴向在B、C位置截分为三段——入口段3、中间段4、出口段5，由于B、C位置都在层流区7内，中间段4必然完全处于层流区7之中。在口模的B、C位置设置测力元件9，即可测量口模中间段4与入口段3之间、口模中间段4与出口段5之间的相互作用力。
实现毛细管内试样流体剪切应力测量的装置如图2所示。它包括一个料筒13、一根柱塞杆12、一个测力元件9、一套毛细管口模，其中毛细管口模由入口段3、中间段4、出口段5组合而成；毛细管口模的入口段3紧固地安装在料筒13的底端，承载毛细管入口区6的试样压力，口模中间段4依赖其下方的口模出口段5提供的压力紧贴在入口段3之后，口模出口段5隔着中间段4通过弹性元件10挂持在口模入口段3之下并紧压着口模中间段4，同时承载着出口压力；口模中间段4装有测力元件9，可测量中间段4与出口段5之间的作用力大小，也可以测量中间段4与入口段3之间的作用力；料筒13内装填有待测试样流体，柱塞杆12在料筒13中自上而下以设定速率挤压试样，料筒13内的试样在挤压作用下经毛细管流出。
测试中，首先进行预压，在柱塞杆12的挤压作用下试样从毛细管流道流出，使得试样充满毛细管流道。预压结束后，柱塞杆12停止下压，试样流体在毛细管中静止不动，此时读取测力元件9测得的力值作为基准值。然后，以试验所需的速度驱动柱塞杆12下行，让试样以预定的速率在毛细管中流动，读取测力元件9测得的力值作为该速率下的力值结果，二者的差值（力值结果减去基准值）就是试样流体以预定速率在毛细管中流动时对毛细管口模中间段4作用力的轴向分量。依据作用力与反作用力互等原理得到试样在毛细管口模中间段4管壁处所受的剪切力，再除以口模中间段4的毛细管表面积，即可求得该处试样的剪切应力。
由于力的测量是围绕毛细管口模中间段4进行的，而口模中间段4完全处于层流区7之中，因此按本发明所述方法测得的剪切应力不受入口区6压力降、出口区8压力降的影响，同时也不受毛细管两端试样流动流线变化的影响，从而彻底消除现有毛细管流变测试方法中采用入口压力计算剪切应力引入的系统误差，提升了毛细管式流变仪的测试精度，并避免了压力校正、简化了流变测试操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，例如：毛细管口模的截分段数不仅限于三段，也可以是多于三段。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种毛细管中流体剪切应力的测量方法，其特征在于：将毛细管口模沿轴向截分为至少三段，即入口段、中间段和出口段，当试样流体在毛细管中稳定流动时，通过测力元件测量毛细管口模中间段和出口段之间、以及中间段和入口段之间的相互作用力，得到试样对毛细管口模中间段的作用力，依据作用力与反作用力互等原理得到试样在毛细管口模中间段管壁处所受的剪切力，再除以口模中间段的毛细管表面积，即可求得该处试样的剪切应力。
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