CN115479867A - 一种非牛顿流体快速判别方法 - Google Patents

一种非牛顿流体快速判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非牛顿流体快速判别方法，该方法包括以下步骤：获取待检测流体的谐振频率和反谐振频率；绘制反谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；绘制谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；通过绘制得到的反谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线和谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线进行比较，完成流体性质的判别。本发明的方法为基于多特征频率参数对其流体性质进行判别，仅需要通过单次对待测流体进行谐振频率和反谐振频率的测量便可实现，测量速度快、测量稳定性高、能够有效快速地实现非牛顿流体的测量，有效解决了现有技术中对采用单一参数对非牛顿流体的判别导致准确率较低的问题。

Description

一种非牛顿流体快速判别方法
技术领域
本发明涉及流体性质判别领域，尤其涉及一种非牛顿流体快速判别方法。
背景技术
牛顿流体是指牛顿1687年提出的一种理想粘性液体。即指具有层流特征的流体，相邻的两层平行流动的液体间产生的剪切应力与垂直于流动方向的速度梯度成正比时，这种液体即为牛顿流体。
非牛顿流体，是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。常见的具有简单结构的液体是牛顿液(如水，甘油，油等)。然而，具有复杂结构的流体(聚合物熔体或溶液、悬浮液等)通常是非牛顿流体。黏度作为流体最重要的物理特性之一，其特性的表征对于工程应用和基础研究都极为重要。传统的流体黏度测量方法有毛细管法、旋转法、落体法、平板法、黏度杯法等，这些传统的黏度测量方法耗时长，不能实时在线地获得流体的黏度特性，且所需要的样品量一般较大，不能满足小样品量的测量要求。尽管黏度及其非线性问题的提出已经有数百年的时间，期间研究者提出了各式各样的模型来描述非线性，例如剪切增稠液、剪切稀化液、宾汉塑性体、结构流体等等，其中又有多种模型来描述，如Carreau model,Ellis model,Sisko model,Power law model,Carreau-Yasuda model,Meter model等。但每一个模型都有其局限性，仅能在比较有限的范围内来描述黏度特性。
目前，非牛顿流体与牛顿流体之间的关系主要用黏度是否等于恒定值用来判断流体的性质。牛顿流体能够在剪切应力参数增大的过程中，其黏度依然保持一个恒定数值，例如：水、油等；非牛顿流体的流体切应力变化性质目前还没有深入的研究，随着剪切应力的增大，黏度与剪切应力呈现非线性的关系，至于这种非线性关系与牛顿流体之间的线性关系之间的联系还没有进行深入探索。
目前，已有的非牛顿流体检测方法是只利用一种参数对流体性质进行判别。例如：使用声波传感器仅对待测流体的单一特征频率进行测量，用于代表牛顿流体的黏度特性从而进行判别；使用磁致伸缩条仅对待测流体的谐振频率进行测量，最终得到单一参数代表牛顿流体的黏度特性进行判别，其具有判别时间长、判别工序繁多、对操作人员要求高、计算量大等缺点。而且单一参数不适用于非牛顿流体的快速判别，造成检测的准确率较低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种非牛顿流体快速判别方法，以解决上述背景技术中存在的一个或多个技术问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种非牛顿流体快速判别方法，该方法包括以下步骤：
获取待检测流体的谐振频率和反谐振频率；
以反谐振频率fr′作为横坐标，以黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000021
作为纵坐标来绘制反谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；
以谐振频率fr作为横坐标，以黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000022
作为纵坐标来绘制谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；
通过绘制得到的反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000023
之间的关系曲线和谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000024
之间的关系曲线进行比较，完成流体性质的判别。
优选的，该方法还包括获取待测流体剪切力与黏度随着时间的变化曲线。
优选的，待测流体剪切力与黏度随着时间的变化曲线中，若待测流体随着剪切应力地增大，其黏度特性无发生任何变化，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体随着剪切应力的增大，其黏度展现出正相关或负相关的非线性变化趋势，则该待测流体为非牛顿流体。
优选的，反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000031
之间的关系曲线中，若待测流体的黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000032
与反谐振频率fr′之间为正相关的线性关系，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000033
与反谐振频率fr′之间不存在线性关联，则该待测流体为非牛顿流体。
优选的，谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000034
之间的关系曲线中，若待测流体的谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000035
之间为正相关的线性关系，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体的谐振频率fr与黏度非线性特性组合
Figure BDA0003778622220000036
的关系并非线性相关关系，且其变化曲线的曲率大于0，其二次导数从小于0向大于0的趋势进行过渡，并具有指数式增加的趋势，则该待测流体为非牛顿流体。
优选的，待测流体的谐振频率和反谐振频率通过阻抗分析仪获取。
本发明的有益效果为：本发明的方法为基于多特征频率参数对其流体性质进行判别，仅需要通过单次对待测流体进行谐振频率和反谐振频率的测量便可实现，测量速度快、测量稳定性高、测量成本低、求测量人员要求不高、能够有效快速地实现非牛顿流体的测量，有效解决了现有技术中对采用单一参数对非牛顿流体的判别导致准确率较低的问题。
附图说明
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是非牛顿液体中谐振频率，反谐振频率，实验共振频率之间的关系曲线；
图2是不同性质流体的黏度与剪切速率之间的变化曲线；
图3是不同流体中的反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000041
的关系曲线；
图4是不同流体中的谐振频率fr黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000042
的理论关系曲线
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例的一种非牛顿流体快速判别方法该方法包括以下步骤：
获取待检测流体的谐振频率和反谐振频率；
以反谐振频率fr′作为横坐标，以黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000043
作为纵坐标来绘制反谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；
以谐振频率fr作为横坐标，以黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000044
作为纵坐标来绘制谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；
通过绘制得到的反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000045
之间的关系曲线和谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000046
之间的关系曲线进行比较，完成流体性质的判别。
由此，本实施例的方法为基于多特征频率参数对其流体性质进行判别，仅需要通过单次对待测流体进行谐振频率和反谐振频率的测量便可实现，测量速度快、测量稳定性高、测量成本低、求测量人员要求不高、能够有效快速地实现非牛顿流体的测量，有效解决了现有技术中对采用单一参数对非牛顿流体的判别导致准确率较低的问题。
若待测流体为牛顿流体，由于黏度与剪切速率无关，则在测试的过程中只需要用到一种实验参数，例如谐振频率fr足以用于描述液体黏度。
若待测流体为非牛顿流体，由于黏度随剪切速率和速度而变化。则在本发明技术方案中需要引入额外的参数来呈现这个非线性。本发明中引入谐振频率fr，反谐振频率fr′，实验共振频率f0三种参数进行描述。其中，谐振频率fr通常被选择在最大信号点，反谐振频率fr′被选择在在最小信号点处，实验共振频率f0被选择在这两点之间的某处被拾取。以上三种频率分布在一个相当宽的范围内，在该区间内位移、速度和剪切速率变化很大，如图1所示。在这个范围内，非牛顿流体黏度的非线性特性也非常明显，因此可利用这几种频率的特殊函数组合来表征黏度的非线性特性，从而快速识别待测流体的性质。
优选的，该方法还包括获取待测流体剪切力与黏度随着时间的变化曲线。
进一步的，待测流体剪切力与黏度随着时间的变化曲线中，若待测流体随着剪切应力地增大，其黏度特性无发生任何变化，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体随着剪切应力的增大，其黏度展现出正相关或负相关的非线性变化趋势，则该待测流体为非牛顿流体。参考附图2，图中的Pseudoplastic，Bingham Plastic，Structural，Dilatant均为经典的非牛顿流体黏度变化曲线。从图中可以看出代表常见的非牛顿流体的Bingham Plastic，Structural曲线在一开始随着剪切应力增大的过程中，其黏度会在短时间内维持不变；随着剪切应力的继续增大，其黏度会持续下降；但是最终当剪切应力增大到一定的程度时，最后黏度的变化趋向于平稳，总体呈现出“阶梯型”的变化趋势。因此，该特征可以作为判别牛顿流体和非牛顿流体的参考。
优选的，反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000061
之间的关系曲线中，若待测流体的黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000062
与反谐振频率fr之间为正相关的线性关系，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000063
与反谐振频率fr之间不存在线性关联，则该待测流体为非牛顿流体。如图3中，可以从fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000064
之间的关系进行分析，牛顿流体与BP2380(一种参考牛顿流体)的黏度非线性特性参数与反谐振频率之间呈现正相关的线性关系；而对于非牛顿流体而言，黏度非线性特性参数与反谐振频率之间线性关联较小，在该区间内有明显的非线性特性。
优选的，谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000065
之间的关系曲线中，若待测流体的谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure BDA0003778622220000066
之间为正相关的线性关系，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体的谐振频率fr与黏度非线性特性组合
Figure BDA0003778622220000067
的关系并非线性相关关系，且其变化曲线的曲率大于0，其二次导数从小于0向大于0的趋势进行过渡，并具有指数式增加的趋势，则该待测流体为非牛顿流体。如图4，根据其变化趋势以及对其曲率的分析，可以用于直观的判别待测流体的性质。
优选的，待测流体的谐振频率和反谐振频率通过阻抗分析仪获取。由此，通过通过阻抗分析仪单次对待测流体进行测量便可实现，利用阻抗分析仪的快速测量与快速计算能力，通过绘制谐振频率fr，反谐振频率fr′与代表黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线与牛顿流体的经验曲线变化趋势进行比较，快速的实现非牛顿流体的判别。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非牛顿流体快速判别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
获取待检测流体的谐振频率和反谐振频率；
以反谐振频率fr′作为横坐标，以黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000011
作为纵坐标来绘制反谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；
以谐振频率fr作为横坐标，以黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000012
作为纵坐标来绘制谐振频率与黏度非线性特性参数组合之间的关系曲线；
通过绘制得到的反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000013
之间的关系曲线和谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000014
之间的关系曲线进行比较，完成流体性质的判别。
2.根据权利要求1所述的一种非牛顿流体快速判别方法，其特征在于，该方法还包括获取待测流体剪切力与黏度随着时间的变化曲线。
3.根据权利要求2所述的一种非牛顿流体快速判别方法，其特征在于，待测流体剪切力与黏度随着时间的变化曲线中，若待测流体随着剪切应力地增大，其黏度特性无发生任何变化，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体随着剪切应力的增大，其黏度展现出正相关或负相关的非线性变化趋势，则该待测流体为非牛顿流体。
4.根据权利要求1所述的一种非牛顿流体快速判别方法，其特征在于，反谐振频率fr′与黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000015
之间的关系曲线中，若待测流体的黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000016
与反谐振频率fr′之间为正相关的线性关系，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000017
与反谐振频率fr′之间不存在线性关联，则该待测流体为非牛顿流体。
5.根据权利要求1所述的一种非牛顿流体快速判别方法，其特征在于，谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000021
之间的关系曲线中，若待测流体的谐振频率fr与黏度非线性特性参数组合
Figure FDA0003778622210000022
之间为正相关的线性关系，则该待测流体为牛顿流体；若待测流体的谐振频率fr与黏度非线性特性组合
Figure FDA0003778622210000023
的关系并非线性相关关系，且其变化曲线的曲率大于0，其二次导数从小于0向大于0的趋势进行过渡，并具有指数式增加的趋势，则该待测流体为非牛顿流体。
6.根据权利要求1所述的一种非牛顿流体快速判别方法，其特征在于，待测流体的谐振频率和反谐振频率通过阻抗分析仪获取。
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