RU2434221C1 - Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей - Google Patents
Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2434221C1 RU2434221C1 RU2010117822/28A RU2010117822A RU2434221C1 RU 2434221 C1 RU2434221 C1 RU 2434221C1 RU 2010117822/28 A RU2010117822/28 A RU 2010117822/28A RU 2010117822 A RU2010117822 A RU 2010117822A RU 2434221 C1 RU2434221 C1 RU 2434221C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capillary
- liquid
- fluid
- determining
- newtonian
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области исследования реологических свойств неньютоновских жидкостей и может применяться при исследовании или автоматическом контроле и регулировании свойств различных жидкостей (например, буровых растворов). Способ определения реологических свойств неньютоновских жидкостей включает пропускание жидкости через капилляр. Причем жидкость с разной скоростью пропускают через капилляр, выполненный в виде кольцевого канала. Затем определяют перепады давления на его концах ΔР, объемные расходы жидкости Q по формуле: , где V - объем смазки, прошедший через капилляр за время (t) одного хода эксперимента; d - диаметр плунжера; S - ход плунжера. Далее находят зависимость касательных напряжений от градиента скорости по следующим формулам: ! где - градиент скорости; τω - касательное напряжение; h - толщина кольцевого зазора; R - радиус капилляра; L - длина капилляра, и по полученным данным строят кривую течения исследуемой неньютоновской жидкости. Технический результат изобретения является повышение точности определения реологических свойств неньютоновской жидкости. 3 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к области исследования реологических свойств неньютоновских жидкостей и может применяться при исследовании или автоматическом контроле и регулировании свойств различных жидкостей (например, буровых растворов).
Известен способ определения реологических характеристик смазочных материалов [авт. свид. SU №1096534, G01N 11/00, Способ определения реологических характеристик смазочных материалов / Д.Л.Бакашвили, Н.А.Карсанидзе, В.Ш.Шварцман, В.Х.Шойхет], заключающийся в получении пленок из исследуемого и стандартного смазочных материалов путем качения между двумя контактирующими поверхностями, измерении толщины этих пленок в зависимости от скорости качения и сопоставлении полученных зависимостей при определенных скоростях и нагрузках.
Недостатком этого способа является низкая точность измерений, если вязкость исследуемого смазочного материала и стандартного сильно различаются.
Известен способ определения реологических характеристик вязкопластических сред [авт. свид. SU №520537, G01N 11/08. Способ определения реологических характеристик вязкопластических сред / Е.П.Пистун, В.А.Конова], включающий прокачивание исследуемой среды через последовательно соединенные одинаковые системы капилляров, каждая из которых содержит две параллельные одинаковые пары последовательно соединенных капилляров разной длины и одинакового внутреннего диаметра, и измерения перепадов давления в межкапиллярных камерах.
Недостатками данного способа являются его сложность и низкая точность определения искомых реологических свойств.
Наиболее близким к заявляемому, принятому за прототип, является способ определения реологических свойств жидкостей [Патент РФ №2007702, G01N 11/00. Способ определения реологических свойств жидкостей / А.Б.Голованчиков, Е.А.Брифф, Н.В.Тябин, Ю.О.Болотин, Лаки Заман], включающий пропускание жидкостей через капилляр, начинающийся с измерения градиента давления в жидкости, введение в капилляр индикатора (раствор соли, кислоты, радиоактивных изотопов и др.), определение зависимости концентрации индикатора на выходе капилляра и расчет зависимости градиента скорости жидкости от ее касательных напряжений, определение зависимости концентрации индикатора на входе в капилляр от времени его пребывания в капилляре и по полученным данным нахождение функции распределения времени пребывания индикатора в капилляре и определение зависимости градиента скорости от касательных напряжений с учетом полученных функций по формулам:
где - градиент скорости, с-1; L - длина капилляра, м; R - радиус капилляра, м; Cn - функция распределения времени пребывания индикатора в капилляре в середине каждого интервала разбиения по времени, мм; tн и tк - начальное и конечное время регистрации индикатора на выходе из капилляра, с; Δt - интервал разбиения по времени, с; τ - касательное напряжение, Н/м2; - градиент давления, Н/м3.
Недостатками данного способа являются его сложность и низкая точность определения реологических свойств жидкостей. Сложность способа заключается в необходимости введения в капилляр индикатора и проведения дополнительных измерений его параметров, что также определяет низкую точность определения реологических свойств, так как дополнительные измерения вносят дополнительные погрешности в конечный результат определения искомых свойств жидкости.
Задачей изобретения является повышение точности определения реологических свойств жидкости. Более высокая точность определения реологических характеристик связана с введением капилляра, выполненного в виде кольцевого зазора, а также за счет исключения из процесса определения свойств дополнительных измерений параметров индикатора, вносящих свой вклад в результирующую погрешность.
Предложенный способ более прост по сравнению с прототипом, так как для его осуществления нет необходимости вводить в исследуемую жидкость индикатор и проведения измерений его параметров.
Поставленная задача достигается тем, что определяют реологические свойства жидкостей путем пропускания жидкости через капилляр, при этом жидкость с различными скоростями пропускают через капилляр, выполненный в виде кольцевого канала, определяют перепады давления на его концах ΔP, объемные расходы жидкости Q по формуле:
где V - объем смазки, прошедший через капилляр за время (t) одного хода эксперимента; d - диаметр плунжера; S - ход плунжера, и находят зависимость касательных напряжений от градиента скорости по следующим формулам:
где - градиент скорости; τω - касательное напряжение; h - толщина кольцевого зазора; R - радиус капилляра; L - длина капилляра.
Способ определения реологических свойств жидкости поясняется чертежами, где на фиг.1 показано осевое сечение капилляра, иллюстрирующее ламинарное течение неньютоновский жидкости в кольцевом канале, свойства которой не зависят от времени. На фиг.2 приведены кривые течения для различных типов неньютоновских жидкостей. На фиг.3 построена кривая течения исследуемой неньютоновской жидкости по полученным экспериментальным данным.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
Проводится серия экспериментов при различных скоростях движения плунжера (скорость меняется от величины открытия дросселя: чем больше открыт дроссель, тем больше скорость). Через капилляр, выполненный в виде кольцевого канала, пропускают исследуемую жидкость, при этом измеряют перепад давления жидкости на его концах ΔP и определяют объемный расход жидкости Q по формуле:
где V - объем смазки, прошедший через капилляр за время (t) одного хода эксперимента; d - диаметр плунжера; S - ход плунжера. При этом V - объем постоянный, S - ход плунжера одинаковый (например, 40 мм). Так как серия экспериментов проводится при различных скоростях движения плунжера, то изменяется время хода плунжера (фиксируют время с помощью секундомера) и, соответственно, изменяется объемный расход смазки Q. Затем находят зависимость касательных напряжений от градиента скорости, подставляя результаты серии значений Q1, Q2, Q3, … и соответствующих им перепады давлений ΔP1; ΔP2; ΔP3; … в следующие формулы:
где - градиент скорости; τω - касательное напряжение; h - толщина кольцевого зазора; R - радиус капилляра; L - длина капилляра.
На фиг.1 приведено осевое сечение капилляра, иллюстрирующее ламинарное течение неньютоновской жидкости в кольцевом канале, свойства которой не зависят от времени. В этом случае реологическое уравнение, связывающее касательное напряжение и скорость сдвига в этой точке, можно представить в виде:
Для течения в кольцевом канале будем иметь:
где u - скорость; r - радиус; τ - напряжение сдвига на радиусе r.
Распределение сил трения при течении неньютоновской жидкости в кольцевом канале определим из баланса сил, действующих на кольцевой элемент о осевой длиной dL между радиусами r и dr (фиг.1):
где τ - напряжение сдвига на радиусе r; dP - перепад давлений на длине dL. Тогда - продольный градиент давления в кольцевом канале.
Проинтегрировав выражение (2), получим:
Если τ=0, когда r=λR, т.е. на радиусе, где скорость максимальная, то константа в выражении (3) будет равна -
Следовательно
Находим напряжение трения на стенке:
Представим выражение (4) в виде:
Обозначим r - λR=y, где y - текущая координата смазочного слоя. Тогда выражение (6) примет вид:
Формулу (5) запишем так
Формулу (10) несколько преобразуем:
Обычно величина кольцевого зазора h значительно меньше радиуса R. В этом случае слагаемыми, содержащими множители и можно пренебречь из-за их малости. Тогда приходим к случаю течения жидкости в плоской трубе. При этом выражение (11) примет следующий вид:
С учетом (12) выражение (1) можно записать так:
Интегрируя выражение (13), находим:
При этом постоянная интегрирования равна нулю, поскольку - условие прилипания жидкости к стенке трубы.
С учетом выражения (14) найдем величину объема жидкости, протекающей через кольцевое сечение в единицу времени:
Дифференцируя выражение (12), получаем:
Подставив последнее выражение в (15), находим:
Преобразуем это выражение к виду:
Дифференцируя выражение (18), получаем:
откуда
Подставив значение f(τω) в (13), будем иметь:
Дифференцируя, получаем:
После подстановки в (22) значения F(τω) и τω находим по следующим формулам:
Выражения (23), (24) позволяют по полученным при проведении экспериментов значениям Q и ΔP построить кривую течения исследуемой неньютоновской жидкости. На фиг.2 приведены кривые течения для различных типов неньютоновских жидкостей (1 - бингамовский пластик; 2 - псевдопластичная; 3 - дилатантная). По виду кривой можно определить тип исследуемой жидкости. Аппроксимируя полученную экспериментально таблицу значений Q и ΔP, например методом наименьших квадратов, можно найти аналитическую зависимость для конкретной исследуемой жидкости.
Для проверки предложенного способа были проведены четыре эксперимента с различными скоростями движения плунжера и получены следующие экспериментальные данные:
табл.1 | ||
№ эксперимента | Перепад давления Δp, МПа | Время истечения t, с |
1 | 25 | 43,8 |
2 | 9,4 | 43 |
3 | 4,75 | 41,9 |
4 | 2,6 | 40,2 |
Эксперименты проводились при следующих параметрах:
табл.2 | |||||
№ эксперимента | Толщина капилляра h, мм | Длина капилляра L, мм | Ход плунжера S, мм | Диаметр отверстия d, мм | Радиус R, мм |
1 | 0,2 | 187,5 | 40 | 30 | 15 |
2 | 0,2 | 187,5 | 40 | 30 | 15 |
3 | 0,2 | 187,5 | 40 | 30 | 15 |
4 | 0,2 | 187,5 | 40 | 30 | 15 |
Результаты расчета по формулам (23) и (24) следующие:
По полученным данным построена кривая течения исследуемой неньютоновской жидкости (фиг.3), по которой можно определить вид исследуемой жидкости, видим, что ближе по графику к вязкопластической (бингамовской) жидкости.
Claims (1)
- Способ определения реологических свойств неньютоновских жидкостей, включающий пропускание жидкости через капилляр, отличающийся тем, что жидкость с разной скоростью пропускают через капилляр, выполненный в виде кольцевого канала, определяют перепады давления на его концах ΔР, объемные расходы жидкости Q по формуле
где V - объем смазки, прошедший через капилляр за время (t) одного хода эксперимента;
d - диаметр плунжера;
S - ход плунжера,
находят зависимость касательных напряжений от градиента скорости по следующим формулам
где - градиент скорости;
τω - касательное напряжение;
h - толщина кольцевого зазора;
R - радиус капилляра;
L - длина капилляра,
и по полученным данным строят кривую течения исследуемой неньютоновской жидкости.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117822/28A RU2434221C1 (ru) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117822/28A RU2434221C1 (ru) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2434221C1 true RU2434221C1 (ru) | 2011-11-20 |
Family
ID=45316753
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010117822/28A RU2434221C1 (ru) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2434221C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2572074C1 (ru) * | 2014-07-31 | 2015-12-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем нефти и газа РАН | Способ и устройство для измерения реологических свойств технологических жидкостей, закачиваемых в нефтяные и газовые пласты |
RU2588591C1 (ru) * | 2015-05-06 | 2016-07-10 | Анатолий Георгиевич Малюга | Устройство для контроля условной вязкости промывочной жидкости в циркуляционной системе буровой скважины |
-
2010
- 2010-05-04 RU RU2010117822/28A patent/RU2434221C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2572074C1 (ru) * | 2014-07-31 | 2015-12-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем нефти и газа РАН | Способ и устройство для измерения реологических свойств технологических жидкостей, закачиваемых в нефтяные и газовые пласты |
RU2588591C1 (ru) * | 2015-05-06 | 2016-07-10 | Анатолий Георгиевич Малюга | Устройство для контроля условной вязкости промывочной жидкости в циркуляционной системе буровой скважины |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tomaiuolo et al. | Microfluidics analysis of red blood cell membrane viscoelasticity | |
Owolabi et al. | Turbulent drag reduction by polymer additives in parallel-shear flows | |
US10598581B2 (en) | Inline rheology/viscosity, density, and flow rate measurement | |
Merrill et al. | Pressure-flow relations of human blood in hollow fibers at low flow rates | |
Kang et al. | A highly accurate and consistent microfluidic viscometer for continuous blood viscosity measurement | |
Kim et al. | A new method for blood viscosity measurement | |
Kim | A study of non-Newtonian viscosity and yield stress of blood in a scanning capillary-tube rheometer | |
Kim et al. | A method of isolating surface tension and yield stress effects in a U-shaped scanning capillary-tube viscometer using a Casson model | |
TWI447375B (zh) | Apparatus for measuring fluid viscosity and method thereof | |
CN104502240A (zh) | 液体参数测量系统 | |
RU2434221C1 (ru) | Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей | |
CN103814284A (zh) | 毛细管微粘度计 | |
Soares et al. | Flow regimes for the immiscible liquid–liquid displacement in capillary tubes with complete wetting of the displaced liquid | |
Jay et al. | The resistance to blood flow in the capillaries | |
CN109342271A (zh) | 一种基于微量样品测量的毛细管粘度测试方法 | |
JP2012506039A (ja) | 流体の粘度を測定する装置及び方法 | |
Phares et al. | A study of laminar flow of polar liquids through circular microtubes | |
Antonova et al. | Development of experimental microfluidic device and methodology for assessing microrheological properties of blood | |
US10539491B2 (en) | Apparatus and method for measuring erythrocyte sedimentation rate | |
US20120247190A1 (en) | Rheometer | |
US9097634B2 (en) | Fluid viscosity measuring device | |
Tang | Analysis on creeping channel flows of compressible fluids subject to wall slip | |
Allahham et al. | Development and application of a micro‐capillary rheometer for in‐vitro evaluation of parenteral injectability | |
Kang | Microfluidic viscometer using capillary pressure sensing | |
RU209988U1 (ru) | Система для определения свойств переходной зоны при смешивающемся вытеснении нефти газом |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170505 |