RU2517819C1 - Инерционный способ измерения вязкости - Google Patents
Инерционный способ измерения вязкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2517819C1 RU2517819C1 RU2012147160/28A RU2012147160A RU2517819C1 RU 2517819 C1 RU2517819 C1 RU 2517819C1 RU 2012147160/28 A RU2012147160/28 A RU 2012147160/28A RU 2012147160 A RU2012147160 A RU 2012147160A RU 2517819 C1 RU2517819 C1 RU 2517819C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- medium
- viscosity
- torus
- channel
- pressure
- Prior art date
Links
Landscapes
- Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
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.
Description
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.):
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
. 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 V0=ω0R. 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:
В криволинейных координатах скорость движения среды характеризуется однокомпонентным вектором скорости
, 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:
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:
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) |
|
β1/r |
|
|
β2/2π | |
|
β3/2π | |
|
h2/r |
|
|
h3/r |
|
|
V2/V 0 |
|
|
rξij/V0 | - |
|
|
- |
|
|
- |
|
t/t0 |
|
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
. 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:
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
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 |
|
|
γ≤10-2 |
|
|
||
Уравнение движения: | |||
проекция на ось β1 |
|
|
γ≤10-2 |
проекция на ось β2 |
|
|
γ≤10-2 |
проекция на ось β3 |
|
|
γ≤10-2 |
Таблица 3 | ||||
Условия однородности поля давления | ||||
γ |
|
Рекомендуемая величина гидродинамического напора, Па | Порядок величины перепада давления по направлению, Па | |
0≤β1≤r | 0≤β3≤π | |||
10-2 | 105 |
|
|
|
10-3 | 105 |
|
||
10-2 | 106 |
|
|
|
10-3 | 106 |
|
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:
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:
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
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012147160/28A RU2517819C1 (ru) | 2012-11-06 | 2012-11-06 | Инерционный способ измерения вязкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012147160/28A RU2517819C1 (ru) | 2012-11-06 | 2012-11-06 | Инерционный способ измерения вязкости |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012147160A RU2012147160A (ru) | 2014-05-20 |
RU2517819C1 true RU2517819C1 (ru) | 2014-05-27 |
Family
ID=50695347
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012147160/28A RU2517819C1 (ru) | 2012-11-06 | 2012-11-06 | Инерционный способ измерения вязкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2517819C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589753C2 (ru) * | 2014-09-10 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") | Инерционный способ измерения вязкости |
CN107576592A (zh) * | 2016-07-05 | 2018-01-12 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种管路内流体的流动参数测试系统及测试方法 |
RU2789667C1 (ru) * | 2022-05-05 | 2023-02-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) | Инерционный способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4539837A (en) * | 1984-08-17 | 1985-09-10 | Core Laboratories, Inc. | Driven-capillary viscosimeter |
SU1745681A1 (ru) * | 1989-04-03 | 1992-07-07 | Волгоградский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности | Способ определени в зкости жидкой фазы |
RU2065146C1 (ru) * | 1992-03-12 | 1996-08-10 | Могилевское производственное объединение "Химволокно" им.В.И.Ленина | Способ определения вязкости жидких сред в трубопроводах |
WO2011107472A9 (en) * | 2010-03-01 | 2012-03-22 | Novozymes A/S | Viscosity pressure assay |
-
2012
- 2012-11-06 RU RU2012147160/28A patent/RU2517819C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4539837A (en) * | 1984-08-17 | 1985-09-10 | Core Laboratories, Inc. | Driven-capillary viscosimeter |
SU1745681A1 (ru) * | 1989-04-03 | 1992-07-07 | Волгоградский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности | Способ определени в зкости жидкой фазы |
RU2065146C1 (ru) * | 1992-03-12 | 1996-08-10 | Могилевское производственное объединение "Химволокно" им.В.И.Ленина | Способ определения вязкости жидких сред в трубопроводах |
WO2011107472A9 (en) * | 2010-03-01 | 2012-03-22 | Novozymes A/S | Viscosity pressure assay |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589753C2 (ru) * | 2014-09-10 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") | Инерционный способ измерения вязкости |
CN107576592A (zh) * | 2016-07-05 | 2018-01-12 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种管路内流体的流动参数测试系统及测试方法 |
RU2789667C1 (ru) * | 2022-05-05 | 2023-02-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) | Инерционный способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012147160A (ru) | 2014-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4750351A (en) | In-line viscometer | |
EP3066499B1 (en) | Inline rheology/viscosity, density, and flow rate measurement | |
CN103814284B (zh) | 毛细管微粘度计 | |
Tachie et al. | Velocity measurements of a shear flow penetrating a porous medium | |
Meyerhoff et al. | A low shear viscometer with automated recording and application to high molecular weight polystyrene solutions | |
US20120022806A1 (en) | Apparatus and method for measuring fluid viscosity | |
CN104502240A (zh) | 液体参数测量系统 | |
RU2517819C1 (ru) | Инерционный способ измерения вязкости | |
US20190072524A1 (en) | Speed of sound and/or density measurement using acoustic impedance | |
US10088454B2 (en) | Speed of sound and/or density measurement using acoustic impedance | |
JP5474076B2 (ja) | 流体の粘度を測定する装置及び方法 | |
US10113863B2 (en) | Viscosity measuring method | |
CN106872309A (zh) | 一种微型滑块面接触润滑油粘度的测量方法 | |
RU2522718C2 (ru) | Инерционный вискозиметр | |
KR101458320B1 (ko) | 종말침강속도를 이용한 점도 측정장치 및 측정방법 | |
Kornaeva et al. | Inertial method of viscosity measurement of the complex rheology medium | |
RU2589753C2 (ru) | Инерционный способ измерения вязкости | |
RU2743511C1 (ru) | Поточный способ для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства | |
RU2789667C1 (ru) | Инерционный способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей | |
Mashelkar et al. | Determination of material parameters of viscoelastic fluids by rotational non-viscometric flows | |
RU2337347C2 (ru) | Способ определения относительной кинематической вязкости биологической жидкости | |
Petrak et al. | Micro-flow metering and viscosity measurement of low viscosity Newtonian fluids using a fibreoptical spatial filter technique | |
Dolz et al. | An inexpensive and accurate tensiometer using an Electronic Balance | |
RU2737243C1 (ru) | Поточный прибор для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства | |
Aqra et al. | Physical Pendulum Viscometer: A Method for Quantifying Liq-uids’ Viscosity |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161107 |