RU2789667C1 - Inertia method for measuring the viscosity of non-newtonian fluids - Google Patents

Inertia method for measuring the viscosity of non-newtonian fluids Download PDF

Info

Publication number
RU2789667C1
RU2789667C1 RU2022112556A RU2022112556A RU2789667C1 RU 2789667 C1 RU2789667 C1 RU 2789667C1 RU 2022112556 A RU2022112556 A RU 2022112556A RU 2022112556 A RU2022112556 A RU 2022112556A RU 2789667 C1 RU2789667 C1 RU 2789667C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
viscosity
flow
measuring
kinematic
newtonian fluids
Prior art date
Application number
RU2022112556A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Елена Петровна Корнаева
Алексей Валерьевич Корнаев
Иван Николаевич Стебаков
Виктор Владимирович Дрёмин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева)
Application granted granted Critical
Publication of RU2789667C1 publication Critical patent/RU2789667C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to measuring technology and can be used to measure the coefficient of kinematic viscosity at different shear rates, temperature and pressure for non-Newtonian fluids that have the ability to reflect coherent radiation. The inertial method for measuring the viscosity of non-Newtonian fluids includes a smooth acceleration and a sharp stop of a closed transparent torus rotating around its axis, filled with a test liquid with light-reflecting properties, and determining the kinematic parameters of the inertial flow, namely, the shear strain rate on the flow surface and the volumetric flow rate, according to which from the simplified the Navier-Stokes equations numerically determine the kinematic viscosity of the fluid, while the kinematic characteristics are measured indirectly using a pre-trained convolutional neural network, which receives images of the fluid flow illuminated by coherent radiation at fixed times, obtained using a high-speed CMOS camera.
EFFECT: improving the accuracy of measuring the viscosity of non-Newtonian fluids.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента кинематической вязкости при различных скоростях сдвиговой деформации, температуре и давлении для неньютоновских жидкостей, обладающих способностью отражать когерентное излучение.The invention relates to measuring technology and can be used to measure the coefficient of kinematic viscosity at different shear rates, temperature and pressure for non-Newtonian fluids that have the ability to reflect coherent radiation.

Известны способы измерения коэффициента динамической вязкости (далее вязкости) сред, включающие определение момента силы трения на поверхности погруженного в испытуемую среду шпинделя формы цилиндр (конус, диск) при различных сдвиговых скоростях деформаций, реализованные в ротационных вискозиметрах. (Мидлман С. Течение полимеров. Пер. с англ. Ю.Н. Панова под ред. А.Я. Малкина. - М.: Мир, 1971. - 360 с., Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии. Пер. с англ. И.А. Лавыгина. - М: КолосС, 2003. - 312 с.).There are known methods for measuring the coefficient of dynamic viscosity (hereinafter referred to as viscosity) of media, including determining the moment of friction force on the surface of a cylinder (cone, disk) immersed in the test medium at various shear strain rates, implemented in rotational viscometers. (Middleman S. The flow of polymers. Translated from English by Yu.N. Panov, edited by A.Ya. Malkin. - M .: Mir, 1971. - 360 p., Schramm G. Fundamentals of practical rheology and rheometry. Per. from English by I. A. Lavygina, Moscow: Kolos, 2003, 312 p.).

Известен способ, включающий прокачку испытуемой среды через канал известного размера и определение напряжения и сдвиговой скорости деформации на стенке канала, реализованный в капиллярных вискозиметрах (патент SU №1716388, МПК G01N 11/04, публ. 1992 г.).A known method includes pumping the test medium through a channel of known size and determining the stress and shear strain rate on the channel wall, implemented in capillary viscometers (SU patent No. 1716388, IPC G01N 11/04, publ. 1992).

Общим недостатком этих способов является невозможность создания условий однородности полей механических величин на поверхности шпинделя (для ротационных вискозиметров) и в объеме канала (для капиллярных вискозиметров), что ведет к возникновению погрешности расчета касательных напряжений, сдвиговых скоростей деформаций и, как следствие, вязкости.A common disadvantage of these methods is the impossibility of creating conditions for the uniformity of fields of mechanical quantities on the surface of the spindle (for rotational viscometers) and in the volume of the channel (for capillary viscometers), which leads to an error in the calculation of shear stresses, shear strain rates and, as a consequence, viscosity.

Наиболее близким по физическим условиям течения испытуемой среды и технической реализации используемого вискозиметра является способ, включающий прокачку испытуемой среды через канал формы тор под действием изменяющихся во времени сил инерции и трения среды, возникших в результате резкой остановки вращающегося вокруг своей оси тора, и определение параметров движения среды, а именно, касательного напряжения и сдвиговой скорости деформации на поверхности канала (патент RU №2589753, МПК G0lN l1/04, публ. 2016 г.).The closest in terms of the physical conditions of the flow of the test medium and the technical implementation of the viscometer used is the method, which includes pumping the test medium through the channel of the torus mold under the action of time-varying forces of inertia and friction of the medium resulting from a sharp stop of the torus rotating around its axis, and determining the motion parameters medium, namely, shear stress and shear strain rate on the channel surface (patent RU No. 2589753, IPC G0lN l1/04, publ. 2016).

Недостатками этого способа являются допущение о профиле скорости в канале, что вносит дополнительную погрешность в вычисление скорости сдвиговой деформации, а также габариты вискозиметра, и, как следствие, необходимость в большом объеме испытуемой жидкости (300 мл).The disadvantages of this method are the assumption about the velocity profile in the channel, which introduces an additional error in the calculation of the shear strain rate, as well as the dimensions of the viscometer, and, as a result, the need for a large volume of the test liquid (300 ml).

Техническая задача состоит в повышении точности измерения вязкости как функции от сдвиговых скоростей деформаций, давления и температуры для неньютоновских жидкостей, обладающих способностью отражать когерентное излучение, при минимальном количестве измеряемых параметров.The technical problem is to improve the accuracy of measuring viscosity as a function of shear strain rates, pressure and temperature for non-Newtonian fluids that have the ability to reflect coherent radiation, with a minimum number of measured parameters.

Техническая задача достигается тем, что инерционный способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей включает плавный разгон и резкую остановку вращающегося вокруг своей оси замкнутого прозрачного тора, заполненного испытуемой жидкостью со светоотражающими свойствами, и определение кинематических параметров инерционного течения, а именно, скорости сдвиговой деформации на поверхности течения и объемного расхода, по которым из упрощенного уравнения Навье-Стокса численно определяют кинематическую вязкость жидкости, при этом измерение кинематических характеристик производят косвенно с помощью предварительно обученной сверточной нейронной сети ResNetl8, на вход которой подаются изображения течения жидкости, освещенной когерентным излучением, в фиксированные моменты времени, полученные с помощью высокоскоростной КМОП-камеры, в выходном слое нейронной сети вычисляются значения скорости сдвиговой деформации и объемного расхода.The technical problem is achieved by the fact that the inertial method for measuring the viscosity of non-Newtonian fluids includes a smooth acceleration and a sharp stop of a closed transparent torus rotating around its axis, filled with a test liquid with light-reflecting properties, and determining the kinematic parameters of the inertial flow, namely, the shear strain rate on the flow surface and volumetric flow rate, which are used to numerically determine the kinematic viscosity of the liquid from the simplified Navier-Stokes equation, while the kinematic characteristics are measured indirectly using a pre-trained convolutional neural network ResNetl8, to the input of which images of the fluid flow illuminated by coherent radiation are fed at fixed points in time, obtained using a high-speed CMOS camera, the values of the shear strain rate and volume flow are calculated in the output layer of the neural network.

Технический результат заключается в повышении точности измерений вязкости неньютоновских жидкостей, зависящей от давления, скоростей сдвиговых деформаций и температуры при минимальном количестве измеряемых параметров, что позволяет отказаться от гипотезы о профиле скорости в канале и приближенного вычисления скорости сдвиговой деформации, а также отказаться от измерения крутящего момента. Вместо этого, скорость сдвиговой деформации определяется с помощью сверточной нейронной сети, предварительно обученной на размеченной обучающей выборке, представляющей собой совокупность изображений течения в тонкой прозрачной трубке в каждый момент времени и вычисленные аналитически значения скорости сдвиговой деформации и объемного расхода.The technical result consists in increasing the accuracy of measuring the viscosity of non-Newtonian fluids, depending on pressure, shear strain rates and temperature with a minimum number of measured parameters, which makes it possible to abandon the hypothesis of the velocity profile in the channel and the approximate calculation of the shear strain rate, as well as to abandon the measurement of torque . Instead, the shear strain rate is determined using a convolutional neural network pretrained on a labeled training set, which is a set of images of the flow in a thin transparent tube at each moment of time and analytically calculated values of the shear strain rate and volume flow.

Для достижения технического результата необходимо произвести следующее.To achieve a technical result, the following must be done.

Плавно разгоняют и резко останавливают тор, характеризуемый радиусом образующей окружности r и расстоянием R от центра оси симметрии тора до центра образующей окружности. Вязкая среда закачана в тор под давлением р0. Исследованию подлежит инерционное движение жидкости, возникшее в результате резкой остановки тора. Предполагается, что до начального момента времени (момента остановки тора) окружная скорость всех частиц среды составляет V0, после остановки тора среда продолжает движение под действием сил инерции и трения. Предполагается также, что в исследуемый промежуток времени действие силы гравитации незначительно, а движение жидкости происходит по стационарным линиям тока, образованным множеством соосных окружностей.The torus is smoothly accelerated and abruptly stopped, characterized by the radius of the generatrix of the circle r and the distance R from the center of the axis of symmetry of the torus to the center of the generatrix of the circle. A viscous medium is pumped into the torus under pressure p 0 . The subject of investigation is the inertial motion of the fluid resulting from the abrupt stop of the torus. It is assumed that before the initial moment of time (the moment the torus stops), the circumferential velocity of all particles of the medium is V 0 , after the torus stops, the medium continues to move under the action of inertia and friction forces. It is also assumed that in the time interval under study, the action of the gravitational force is insignificant, and the movement of the liquid occurs along stationary streamlines formed by a multitude of coaxial circles.

Основными уравнениями, описывающими этот процесс, являются уравнения Навье-Стокса, неразрывности и конвективной теплопроводности (Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. - 870 с.). Эти уравнения удобнее записать в тороидальной системе координат с коэффициентами Лямэ (Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Определения. Теоремы. Формулы. Пер. И.Г. Арамановича. - 6. изд., стер. - СПб.: Лань, 2003. - 831 с.): Н1=1, Н21 cos β3+R, Н31. Переход к криволинейной системе координат позволяет значительно упростить модель, во-первых, поле скоростей будет иметь одну ненулевую компоненту

Figure 00000001
во-вторых, упростится форма записи граничных условий. А уравнение неразрывности примет тривиальный вид: ∂υ2/∂β2=0. Из последнего следует, что υ2 не зависит от координаты β2, т.е. υ2=υ(β1, β3).The basic equations that describe this process are the Navier-Stokes, continuity and convective thermal conductivity equations (Loitsyansky, L.G. Mechanics of liquid and gas. M .: Drofa, 2003. - 870 p.). It is more convenient to write these equations in a toroidal coordinate system with Lame coefficients (G. Korn, T. Korn. Handbook of mathematics for scientists and engineers: Definitions. Theorems. Formulas. Per. I. G. Aramanovich. - 6. ed., Sr. - St. Petersburg: Lan, 2003. - 831 p.): H 1 =1, H 21 cos β 3 +R, H 31 . The transition to a curvilinear coordinate system allows us to significantly simplify the model, firstly, the velocity field will have one non-zero component
Figure 00000001
secondly, the form of writing the boundary conditions will be simplified. And the continuity equation will take a trivial form: ∂υ 2 /∂β 2 =0. It follows from the latter that υ 2 does not depend on the coordinate β 2 , i.e. υ 2 \u003d υ (β 1 , β 3 ).

Так как среда закачана в тор под некоторым постоянным давлением р0, тогда в силу симметрии области течения давление является функцией двух координат p(β1, β3).Since the medium is pumped into the torus under some constant pressure p 0 , then, due to the symmetry of the flow region, the pressure is a function of two coordinates p(β 1 , β 3 ).

Для определения условий однородности полей давления и температур, уравнения математической модели представлены в безразмерном виде. Обезразмеривающие величины выбирались так, чтобы безразмерные координаты и функции изменялись в диапазоне [0,1]. Способ обезразмеривания представлен в таблице.To determine the conditions for the homogeneity of pressure and temperature fields, the equations of the mathematical model are presented in a dimensionless form. The dimensionless quantities were chosen so that the dimensionless coordinates and functions varied in the range [0,1]. The method of non-dimensionalization is presented in the table.

Figure 00000002
Figure 00000002

Основные уравнения (Навье-Стокса и теплового баланса), описывающие исследуемый процесс в безразмерном виде в криволинейных координатах βi с учетом принятых в постановке задачи допущений, примут вид:The basic equations (Navier-Stokes and heat balance), describing the process under study in a dimensionless form in curvilinear coordinates β i , taking into account the assumptions adopted in the formulation of the problem, will take the form:

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- аналог критерия Эйлера (далее критерий Эйлера);Where
Figure 00000004
- an analogue of the Euler criterion (hereinafter, the Euler criterion);

Figure 00000005
- критерий Струхаля;
Figure 00000005
- Strouhal's criterion;

Figure 00000006
- критерий Рейнольдса;
Figure 00000006
- Reynolds criterion;

Figure 00000007
- критерий Прандтля;
Figure 00000007
- Prandtl criterion;

Figure 00000008
- критерий Эккерта;
Figure 00000008
- Eckert criterion;

Figure 00000009
- безразмерные геометрические критерий;
Figure 00000009
- dimensionless geometric criteria;

V0=ωR - характерная скорость (максимальная) течения жидкости; V0=ωR - characteristic velocity (maximum) of fluid flow;

t0 - время инерционного течения жидкости до остановки;t 0 - the time of the inertial flow of the liquid to stop;

ΔТ - изменение температуры жидкости;ΔT - change in liquid temperature;

η0 - характерная кинематическая вязкость исследуемой жидкости;η 0 - characteristic kinematic viscosity of the investigated liquid;

ρ - плотность исследуемой жидкости.ρ is the density of the investigated liquid.

По первому и третьему уравнению системы (1) можно определить условие однородности поля давлений. Правые части этих уравнений являются пренебрежимо малыми по сравнению с компонентами градиента давления в левой части уравнений при условии:According to the first and third equations of system (1), one can determine the condition of the pressure field homogeneity. The right sides of these equations are negligible compared to the pressure gradient components on the left side of the equations, provided:

Figure 00000010
Figure 00000010

Условие (2) определяет соотношение аналога критерия Эйлера

Figure 00000011
с геометрическим параметром γ. Значение геометрического параметра определено размером конструкции устройства и имеет порядок γ~101. Из условия (2) можно определить условия для окружной скорости течения V0 при фиксированных значениях геометрического параметра, характерного давления и плотности жидкости.Condition (2) determines the ratio of the analogue of the Euler criterion
Figure 00000011
with geometric parameter γ. The value of the geometric parameter is determined by the size of the device structure and has the order of γ~10 1 . From condition (2), it is possible to determine the conditions for the circumferential flow velocity V 0 at fixed values of the geometric parameter, characteristic pressure, and fluid density.

Первое слагаемое в правой части четвертого уравнения системы (1) отвечает за перенос тепла от слоя к слою жидкости. Порядок этого слагаемого зависит от критерия Прандтля Pr и безразмерного геометрического параметра γ. Второе слагаемое в правой части четвертого уравнения системы (1) характеризует перенос тепла за счет вынужденной конвекции. Порядок этого слагаемого зависит от критерия Эккерта Ec. Порядок величины левой части четвертого уравнения зависит от критерия Струхаля Sh и Рейнольдса Re. Таким образом, добиться однородности температурного поля в канале можно накладыванием следующего условия на эти критерии:The first term on the right side of the fourth equation of system (1) is responsible for the heat transfer from layer to layer of liquid. The order of this term depends on the Prandtl criterion Pr and the dimensionless geometric parameter γ. The second term on the right side of the fourth equation of system (1) characterizes the heat transfer due to forced convection. The order of this term depends on the Eckert criterion Ec. The order of magnitude of the left side of the fourth equation depends on the Strouhal criterion Sh and Reynolds Re. Thus, it is possible to achieve homogeneity of the temperature field in the channel by imposing the following condition on these criteria:

Figure 00000012
Figure 00000012

Выражение (3) определяет условия, при которых слагаемые в правой части четвертого уравнения (1) являются пренебрежимо малыми по сравнению с левой частью уравнения. Порядок числа Рейнольдса определяется из условия (3) при фиксированном значении радиуса тора r и характерной вязкости η0. Критерий Прандтля Pr определяется свойствами среды. Число Эккерта Ec зависит от характерной скорости, определяемой по условию (3), а также от величины ΔТ, поэтому при оценке его порядка учитывалось условие незначительного перепада температур [10-1; 100]. Из условия (3) определяется порядок величины характерного времени t0 инерционного движения жидкости в рассматриваемом канале.Expression (3) determines the conditions under which the terms on the right side of the fourth equation (1) are negligible compared to the left side of the equation. The order of the Reynolds number is determined from condition (3) for a fixed value of the torus radius r and characteristic viscosity η 0 . The Prandtl criterion Pr is determined by the properties of the medium. The Eckert number Ec depends on the characteristic velocity, determined by condition (3), as well as on the value of ΔТ, therefore, when estimating its order, the condition of an insignificant temperature difference was taken into account [10 -1 ; 100 ]. Condition (3) determines the order of magnitude of the characteristic time t 0 of the inertial motion of the fluid in the channel under consideration.

Таким образом, можно определить условия однородности полей давлений и температур из условий (2), (3). Можно определить значения окружной скорости движения тора V0 до остановки по условию (2) и времени течения жидкости после остановки тора по условию (3), в течение которого необходимо проводить измерения. При этом остальные параметры фиксируются заранее.Thus, it is possible to determine the conditions for the homogeneity of pressure and temperature fields from conditions (2), (3). It is possible to determine the values of the circumferential velocity of the torus V 0 before stopping according to condition (2) and the time of fluid flow after stopping the torus according to condition (3), during which it is necessary to carry out measurements. In this case, the remaining parameters are fixed in advance.

Анализируя слагаемые второго уравнения системы (1) с учетом выполнения условий (2), (3), получится упрощенное уравнение, которое для дальнейших вычислений удобнее записать в размерном виде:Analyzing the terms of the second equation of system (1), taking into account the fulfillment of conditions (2), (3), we obtain a simplified equation, which for further calculations is more convenient to write in a dimensional form:

Figure 00000013
Figure 00000013

где υ=υ(β1) осевая компонента скорости;where υ=υ(β 1 ) axial velocity component;

η - коэффициент кинематической вязкости исследуемой жидкости.η is the coefficient of kinematic viscosity of the investigated liquid.

Уравнение (4) можно использовать для определения кинематической вязкости при заданном поле скоростей. Для этого его можно проинтегрировать по толщине канала, с учетом граничного условия

Figure 00000014
Equation (4) can be used to determine the kinematic viscosity for a given velocity field. To do this, it can be integrated over the channel thickness, taking into account the boundary condition
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

После некоторых преобразований левой части уравнения, заменяя

Figure 00000016
можно получить следующее выражение:After some transformations on the left side of the equation, replacing
Figure 00000016
you can get the following expression:

Figure 00000017
Figure 00000017

где

Figure 00000018
- значение скорости сдвига на поверхности течения; ηr - значение кинематической вязкой на поверхности течения (далее η), зависит от ξr; Q - объемный расход жидкости через сечение.Where
Figure 00000018
- the value of the shear rate on the surface of the flow; η r - the value of the kinematic viscosity on the flow surface (hereinafter η), depends on ξ r ; Q is the volumetric flow rate of liquid through the section.

Производную в левой части уравнения можно заменить на центральную конечную разность. Тогда кинематическую вязкость можно определять через скорость сдвиговой деформации и изменение расхода в каждый момент времени tk:The derivative on the left side of the equation can be replaced by a central finite difference. Then the kinematic viscosity can be determined in terms of the shear strain rate and the change in flow rate at each time t k :

Figure 00000019
Figure 00000019

где ξk - значения скорости сдвига на поверхности течения в каждый момент времени tk;where ξ k - values of the shear rate on the surface of the flow at each time t k ;

Qk+1, Qk-1 - значение расхода на предыдущем и следующем шаге по времени;Q k+1 , Q k-1 - the value of the flow rate at the previous and next time step;

Δt=tk+1-tk - шаг по времени, постоянный.Δt=t k+1 -t k - time step, constant.

Значения скорости сдвига на поверхности

Figure 00000020
и значения расхода Qk в каждый момент времени tk определяется с помощью программы расчета, в основу которой заложена предварительно обученная сверточная нейронная сеть. Изображения течения жидкости, полученные через равные промежутки времени Δt, подаются на вход нейронной сети, сверточные слои которой преобразуют эти изображения и передают на слои аппроксиматора, выходной слой сети содержит два нейрона (для скорости сдвиговой деформации и объемного расхода). Таким образом, за время измерений t0 (время инерционного течения в торе) определяется массив значений скорости сдвига и объемного расхода, по которым с помощью итерационной формулы (5), полученной из уравнения Навье-Стокса, рассчитываются соответствующие значения кинематической вязкости.Surface shear rates
Figure 00000020
and the flow rate Q k at each time t k is determined using the calculation program, which is based on a pre-trained convolutional neural network. Fluid flow images obtained at equal time intervals Δt are fed to the input of a neural network, the convolutional layers of which transform these images and transmit them to the approximator layers, the output layer of the network contains two neurons (for shear strain rate and volume flow). Thus, during the measurement time t 0 (the time of the inertial flow in the torus), an array of values of the shear rate and volume flow is determined, from which, using the iterative formula (5) obtained from the Navier-Stokes equation, the corresponding values of the kinematic viscosity are calculated.

Для осуществления способа использовано устройство, содержащие опору 1, на которой установлены стойка 2, тормозной механизм 3 и шаговый двигатель 4. На шаговом двигателе 4 установлен диск 5. На диске 5 закреплен тор 6. На стойке 2 закреплены КМОП-камера 7 и источник 8 когерентного излучения. Шаговый двигатель 4, тормозной механизм 3, источник 8 когерентного излучения и КМОП-камера 7 соединены с блоком 9 обработки информации. Блок 9 обработки информации соединен с блоком 10 отображения информации.To implement the method, a device was used, containing a support 1, on which a stand 2, a brake mechanism 3 and a stepper motor 4 are installed. A disk 5 is mounted on the stepper motor 4. A torus 6 is fixed on the disk 5. A CMOS camera 7 and a source 8 are fixed on the stand 2 coherent radiation. The stepper motor 4, the brake mechanism 3, the source 8 of coherent radiation and the CMOS camera 7 are connected to the information processing unit 9. The information processing unit 9 is connected to the information display unit 10 .

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

В тор 6, установленный на диске 5, под давлением р0 закачивают испытуемую жидкость со светоотражающими свойствами. Включают шаговый двигатель 4. Установленный на нем диск 5 с тором 6 плавно разгоняют до окружной скорости V0, затем выключают шаговый двигатель 4 и включают тормозной механизм 3, при этом диск 5 с тором 6 резко останавливается. После остановки тора 6 жидкость совершает инерционное движение. В течение времени инерционного движения с помощью системы технического зрения, которая включает в себя КМОП-камеру 7 и источник 8 когерентного излучения, происходит фиксация изображений течения жидкости в точке А. Полученную информацию передают в блок 9 обработки информации, например, мини-компьютер JetsonNano с ядрами CUDA, где она обрабатывается косвенно с помощью предварительно обученной сверточной нейронной сети, и по результатам проведенной обработки производят расчет кинематических характеристик жидкости: скорости сдвиговой деформации на поверхности течения

Figure 00000021
и объемного расхода Qfe4epe3 равные промежутки времени Δt. Затем по полученным значениям кинематических характеристик с помощью итерационной формулы, полученной из уравнения Навье-Стокса, вычисляют значения кинематической вязкости испытуемой жидкости для каждого значения скорости сдвиговой деформации. Полученные данные передают на блок 10 отображения информации.In the torus 6, mounted on the disk 5, under pressure p 0 , the test liquid with light-reflecting properties is pumped. The stepper motor 4 is turned on. The disk 5 with the torus 6 mounted on it is smoothly accelerated to peripheral speed V 0 , then the stepper motor 4 is turned off and the brake mechanism 3 is turned on, while the disk 5 with the torus 6 stops abruptly. After the torus 6 stops, the liquid makes an inertial motion. During the time of inertial motion, with the help of a vision system, which includes a CMOS camera 7 and a source 8 of coherent radiation, images of the fluid flow at point A are captured. CUDA cores, where it is processed indirectly using a pretrained convolutional neural network, and based on the results of the processing, the kinematic characteristics of the fluid are calculated: the shear strain rate on the flow surface
Figure 00000021
and volume flow Qfe4epe3 equal time intervals Δt. Then, according to the obtained values of the kinematic characteristics, using the iterative formula obtained from the Navier-Stokes equation, the values of the kinematic viscosity of the test fluid are calculated for each value of the shear strain rate. The received data is transmitted to the information display unit 10 .

Предложенный способ измерения вязкости позволяет исследовать вязкость сред со сложными реологическими свойствами, зависящими одновременно от сдвиговых скоростей деформаций, давления и температуры в широком диапазоне вышеназванных параметров, и в отличие от прототипа имеет более высокую точность определения скорости сдвиговой деформации за счет применения сверхточных нейронных сетей, что повышает точность расчета самой вязкости.The proposed method for measuring viscosity makes it possible to investigate the viscosity of media with complex rheological properties that simultaneously depend on shear strain rates, pressure and temperature in a wide range of the above parameters, and, unlike the prototype, has a higher accuracy in determining the shear strain rate due to the use of ultra-precise neural networks, which improves the accuracy of the calculation of the viscosity itself.

Claims (1)

Инерционный способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей, включающий плавный разгон и резкую остановку вращающегося вокруг своей оси замкнутого прозрачного тора, заполненного испытуемой жидкостью со светоотражающими свойствами, и определение кинематических параметров инерционного течения, а именно скорости сдвиговой деформации на поверхности течения и объемного расхода, по которым из упрощенного уравнения Навье-Стокса численно определяют кинематическую вязкость жидкости, при этом измерение кинематических характеристик производят косвенно с помощью предварительно обученной сверточной нейронной сети, на вход которой подаются изображения течения жидкости, освещенной когерентным излучением, в фиксированные моменты времени, полученные с помощью высокоскоростной КМОП-камеры.An inertial method for measuring the viscosity of non-Newtonian fluids, which includes a smooth acceleration and a sharp stop of a closed transparent torus rotating around its axis, filled with a test fluid with light-reflecting properties, and determining the kinematic parameters of the inertial flow, namely, the shear strain rate on the flow surface and volume flow, by which the simplified Navier-Stokes equation, the kinematic viscosity of the liquid is numerically determined, while the kinematic characteristics are measured indirectly using a pre-trained convolutional neural network, the input of which is images of the fluid flow illuminated by coherent radiation at fixed times, obtained using a high-speed CMOS camera .
RU2022112556A 2022-05-05 Inertia method for measuring the viscosity of non-newtonian fluids RU2789667C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2789667C1 true RU2789667C1 (en) 2023-02-07

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1716388A1 (en) * 1989-05-30 1992-02-28 Всесоюзный нефтегазовый научно-исследовательский институт Method of measuring viscosity of non-newton liquids
JP2011027593A (en) * 2009-07-27 2011-02-10 Sumitomo Rubber Ind Ltd Method for calculating friction characteristic between fluid material and channel wall surface, and measuring device used therefor
RU2517819C1 (en) * 2012-11-06 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") Inertial method to measure viscosity
RU2589753C2 (en) * 2014-09-10 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") Inertial viscosity measurement method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1716388A1 (en) * 1989-05-30 1992-02-28 Всесоюзный нефтегазовый научно-исследовательский институт Method of measuring viscosity of non-newton liquids
JP2011027593A (en) * 2009-07-27 2011-02-10 Sumitomo Rubber Ind Ltd Method for calculating friction characteristic between fluid material and channel wall surface, and measuring device used therefor
RU2517819C1 (en) * 2012-11-06 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") Inertial method to measure viscosity
RU2589753C2 (en) * 2014-09-10 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" (ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК") Inertial viscosity measurement method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3066499B1 (en) Inline rheology/viscosity, density, and flow rate measurement
Zanoun et al. Refined cf relation for turbulent channels and consequences for high-Re experiments
James et al. A converging channel rheometer for the measurement of extensional viscosity
Ortega-Avila et al. Axial annular flow of a viscoplastic microgel with wall slip
Greidanus et al. Turbulent Taylor–Couette flow over riblets: drag reduction and the effect of bulk fluid rotation
Kapoor et al. Sedimentation and sediment flow in settling tanks with inclined walls
Kornaeva et al. A method to measure non-Newtonian fluids viscosity using inertial viscometer with a computer vision system
RU2789667C1 (en) Inertia method for measuring the viscosity of non-newtonian fluids
JP2010060544A (en) Method and device for measuring viscosity and particle size distribution using brown particle
CN111912745B (en) Method for measuring viscosity of liquid through dripping experiment
Chen et al. Determination of bubble size distribution in gas–liquid two‐phase systems via an ultrasound‐based method
Krishnan Thota Radhakrishnan et al. Laminar-turbulent transition of a non-Newtonian fluid flow
Akpek Effect of non-uniform temperature field in viscosity measurement
Burgmann et al. A refractive index-matched facility for fluid–structure interaction studies of pulsatile and oscillating flow in elastic vessels of adjustable compliance
CN105606491A (en) Experimental device and method for measuring liquid viscosity coefficient through U-shaped tube
Digilov Gravity discharge vessel revisited: An explicit Lambert W function solution
Berthe et al. Three-dimensional, three-component wall-PIV
RU2517819C1 (en) Inertial method to measure viscosity
Dallon A drag-coefficient correlation for spheres settling in Ellis fluids
Medina-Banuelos et al. Couette flow of a yield-stress fluid with slip as studied by Rheo-PIV
Kim et al. Viscometers–Laboratory
RU2522718C2 (en) Inertial viscosity gage
Huang et al. Measurement of solid suspension concentration and flow velocity with temperature compensation using a portable ultrasonic device
JP7302867B2 (en) Method and apparatus for measuring viscosity coefficient
Nagala et al. The importance of online viscosity measurement for leak detection and other simulation applications