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旋转粘度计间隙流及其对粘度测量的影响

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-19 14:16【
上海昌吉旋转粘度计测试范围广、操作方便、维护简单, 是流体粘度测量的重要方法之一。在粘度计实际生 产、应用、检测过程中往往把转子常数作为常量值, 采用标准液在某一参数下校准后全量程使用。这在 旋转粘度计间隙流流态处于理想的定常层流态时成 立,实际工作中其间隙流态复杂。旋转粘度计间隙 流流态对粘度测试的影响不应被忽视,为此采用 AnsysFluent 分析软件对其间隙流做模拟,分析了不 同间隙比、转速下间隙流流态的不同。试验测试了 不同转速下粘度计测量值的偏差,为旋转粘度计的 规范操作提出建议。

1 工作原理

旋转粘度计工作时,转子在外界作用力 F 作用 下绕中心轴旋转,带动间隙流体流动,当系统维持转 子匀速旋转时,受力平衡,如图 1 所示。转子受到来 自维持转子旋转的作用力 F 和待测流体由于粘滞 性质产生的切应力 Fτ,通过测量作用力 F 的方法可 测量间隙流体粘度值。柱体长度,m; c—端面效应引起的附加管长,m; r— 内柱体半径,m; R—外柱体内半径,m。 对公式( 1) 变形: η = TK·SMC· M RPM ( 2) ε = ( R - r) /r ( 3) 式中: TK—粘度计扭矩常数; SMC—转子常数; RPM—角速度,r/min; ε—间隙比。

旋转粘度计的校准实际上是对粘度计 SMC 值 的修正。在粘度计实际应用中往往把 SMC 值作为 常量值,采用标准液在某一参数下校准后全量程使 用。存在以下问题: ( 1) 公式( 1) 是在间隙流处于定 常层流态的假设前提下推导而来,实际工作状态下 并不能保证。( 2) 由公式( 2) ,内外转子间隙比、转 速影响 SMC 值,不同参数下将 SMC 值作为同一个 常数并不准确。

2 数值模拟

昌吉旋转粘度计工作时,内外筒同轴,转子带动间隙 流做环绕运动,此模型和机械轴承润滑、发动机气隙 简化模型等流体机械相似,称为泰勒科特流模型。 为探讨旋转粘度计间隙比、转速影响间隙流流态,进 而反应为粘度测量值的不同。分别将间隙比、转速 作为变量,对其间隙流模型进行建模。

2. 1 间隙比不同
几何模型: 转子半径 10mm,转速 30r/min,高度 取 100mm,间隙比分别取 1. 0 和 0. 4。采用 Gambit2. 2 绘制网格,径向网格双向加密,比率为 1. 05, 轴向和周向为均匀网格。采用 AnsysFluent6. 3,物 性参数相同。运算收敛后分析其切向速度云图,截 取内外转子间隙的轴向横截面间隙比 较大时间隙流的流动稳定,速度由内向外逐渐减小 且成均匀分布。从其径向方向的切向速度分布图来 看,如图 3 所示。速度分布曲线的斜率基本不变,更 进一步说明了径向方向上的流体切向速度分布均 匀,间隙流体流动稳定,没有扰动出现,呈层流状流 态。图 2b,间隙比改变间隙流的流动状态发生很大变化,此参数下涡动明显。

2. 2 转速不同
几何模型: 转子半径 10mm,高度取 100mm,间 隙比为 0. 4,转速分别取 5r/min、30r/min。间隙比、转速的变化改变了间隙流流态,流态影 响了间隙流对转子的内应力,呈现为粘度测量值的 不同。另外,旋转粘度计实际工作过程中影响因素 更为复杂,诸如端部效应、轴心偏移等均会导致间隙 流流态变化,如图 5 所示。因此,在粘度计实际生 产、应用、检测过程中理论上应对各个变量参数下 SMC 值作修正。

3 实验部分

旋转粘度计仪器参数( 如转速、间隙比) 影响粘 度测量值。为进一步探讨不同仪器参数下粘度测量 的差异,以转速为变量进行试验。 采用 BROOKFIELD 公司型号为 DV2TLVTJ0 的 1 号转子在不同转速下对二级标准黏度液做测试。 按照 JJG1002 - 2005《旋转粘度计检定规程》,选择200# 二级标准粘度液( 222. 7MPa. s,20℃ ) ,按照速 度递减和速度递增进行两次测试,结果如表 1 所示。 技术条件: 温度( 20 ~ 21) ℃,相对湿度( 55 ~ 60) % RH,恒温槽温度波动度 0. 05℃ /15min,数字温度计 分度值 0. 01℃。测量结果示值偏差为 1. 5% 。

4 结语

旋转粘度计间隙比、转速的变化导致间隙流流 态不同,流态的变化影响粘度测量值。实验显示不 同转速下仪器示值偏差达 1. 5% ,样品流态及其对 粘度测量的影响不应该被忽略。因此,在实际生产、 应用、检测过程中把 SMC 值作为常数值,采用标准 液在某一参数下校准后全量程使用的方法不可取。 建议在旋转粘度计校准时根据客户实际需要,对不同 参数做 SMC 值修正,并确保应用时采用同一参数。