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旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)間隙流及其對(duì)粘度測(cè)量的影響

導(dǎo)讀:采用 Fluent 分析軟件模擬了旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在不同間隙比、轉(zhuǎn)速下間隙流的流態(tài)，探討了間隙流流態(tài)影響粘度測(cè)量的機(jī)理。旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)中內(nèi)外轉(zhuǎn)子間隙比、轉(zhuǎn)速均會(huì)影響粘度測(cè)量的大小，實(shí)驗(yàn)

來源：未知發(fā)布日期：2019-09-19 14:16【大中小】

上海昌吉旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試范圍廣、操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，是流體粘度測(cè)量的重要方法之一。在粘度計(jì)實(shí)際生產(chǎn)、應(yīng)用、檢測(cè)過程中往往把轉(zhuǎn)子常數(shù)作為常量值，采用標(biāo)準(zhǔn)液在某一參數(shù)下校準(zhǔn)后全量程使用。這在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)間隙流流態(tài)處于理想的定常層流態(tài)時(shí)成立，實(shí)際工作中其間隙流態(tài)復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)間隙流流態(tài)對(duì)粘度測(cè)試的影響不應(yīng)被忽視，為此采用 AnsysFluent 分析軟件對(duì)其間隙流做模擬，分析了不同間隙比、轉(zhuǎn)速下間隙流流態(tài)的不同。試驗(yàn)測(cè)試了不同轉(zhuǎn)速下粘度計(jì)測(cè)量值的偏差，為旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的規(guī)范操作提出建議。

1 工作原理

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子在外界作用力 F 作用下繞中心軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)間隙流體流動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)維持轉(zhuǎn) 子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，受力平衡，如圖 1 所示。轉(zhuǎn)子受到來自維持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用力 F 和待測(cè)流體由于粘滯性質(zhì)產(chǎn)生的切應(yīng)力 Fτ，通過測(cè)量作用力 F 的方法可測(cè)量間隙流體粘度值。柱體長(zhǎng)度，m; c—端面效應(yīng)引起的附加管長(zhǎng)，m; r— 內(nèi)柱體半徑，m; Ｒ—外柱體內(nèi)半徑，m。對(duì)公式( 1) 變形: η = TK·SMC· M ＲPM ( 2) ε = ( Ｒ－ r) /r ( 3) 式中: TK—粘度計(jì)扭矩常數(shù); SMC—轉(zhuǎn)子常數(shù); ＲPM—角速度，r/min; ε—間隙比。

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的校準(zhǔn)實(shí)際上是對(duì)粘度計(jì) SMC 值的修正。在粘度計(jì)實(shí)際應(yīng)用中往往把 SMC 值作為常量值，采用標(biāo)準(zhǔn)液在某一參數(shù)下校準(zhǔn)后全量程使用。存在以下問題: ( 1) 公式( 1) 是在間隙流處于定常層流態(tài)的假設(shè)前提下推導(dǎo)而來，實(shí)際工作狀態(tài)下并不能保證。( 2) 由公式( 2) ，內(nèi)外轉(zhuǎn)子間隙比、轉(zhuǎn) 速影響 SMC 值，不同參數(shù)下將 SMC 值作為同一個(gè) 常數(shù)并不準(zhǔn)確。

2 數(shù)值模擬

昌吉旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)工作時(shí)，內(nèi)外筒同軸，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)間隙流做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，此模型和機(jī)械軸承潤(rùn)滑、發(fā)動(dòng)機(jī)氣隙簡(jiǎn)化模型等流體機(jī)械相似，稱為泰勒科特流模型。為探討旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)間隙比、轉(zhuǎn)速影響間隙流流態(tài)，進(jìn) 而反應(yīng)為粘度測(cè)量值的不同。分別將間隙比、轉(zhuǎn)速作為變量，對(duì)其間隙流模型進(jìn)行建模。

2. 1 間隙比不同
幾何模型: 轉(zhuǎn)子半徑 10mm，轉(zhuǎn)速 30r/min，高度取 100mm，間隙比分別取 1. 0 和 0. 4。采用 Gambit2. 2 繪制網(wǎng)格，徑向網(wǎng)格雙向加密，比率為 1. 05，軸向和周向?yàn)榫鶆蚓W(wǎng)格。采用 AnsysFluent6. 3，物性參數(shù)相同。運(yùn)算收斂后分析其切向速度云圖，截取內(nèi)外轉(zhuǎn)子間隙的軸向橫截面間隙比較大時(shí)間隙流的流動(dòng)穩(wěn)定，速度由內(nèi)向外逐漸減小且成均勻分布。從其徑向方向的切向速度分布圖來看，如圖 3 所示。速度分布曲線的斜率基本不變，更進(jìn)一步說明了徑向方向上的流體切向速度分布均勻，間隙流體流動(dòng)穩(wěn)定，沒有擾動(dòng)出現(xiàn)，呈層流狀流態(tài)。圖 2b，間隙比改變間隙流的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生很大變化，此參數(shù)下渦動(dòng)明顯。

2. 2 轉(zhuǎn)速不同
幾何模型: 轉(zhuǎn)子半徑 10mm，高度取 100mm，間隙比為 0. 4，轉(zhuǎn)速分別取 5r/min、30r/min。間隙比、轉(zhuǎn)速的變化改變了間隙流流態(tài)，流態(tài)影響了間隙流對(duì)轉(zhuǎn)子的內(nèi)應(yīng)力，呈現(xiàn)為粘度測(cè)量值的不同。另外，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)實(shí)際工作過程中影響因素更為復(fù)雜，諸如端部效應(yīng)、軸心偏移等均會(huì)導(dǎo)致間隙流流態(tài)變化，如圖 5 所示。因此，在粘度計(jì)實(shí)際生產(chǎn)、應(yīng)用、檢測(cè)過程中理論上應(yīng)對(duì)各個(gè)變量參數(shù)下 SMC 值作修正。

3 實(shí)驗(yàn)部分

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)儀器參數(shù)( 如轉(zhuǎn)速、間隙比) 影響粘度測(cè)量值。為進(jìn)一步探討不同儀器參數(shù)下粘度測(cè)量的差異，以轉(zhuǎn)速為變量進(jìn)行試驗(yàn)。采用 BＲOOKFIELD 公司型號(hào)為 DV2TLVTJ0 的 1 號(hào)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黏度液做測(cè)試。按照 JJG1002 － 2005《旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)檢定規(guī)程》，選擇200# 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)粘度液( 222. 7MPa. s，20℃ ) ，按照速度遞減和速度遞增進(jìn)行兩次測(cè)試，結(jié)果如表 1 所示。技術(shù)條件: 溫度( 20 ～ 21) ℃，相對(duì)濕度( 55 ～ 60) % ＲH，恒溫槽溫度波動(dòng)度 0. 05℃ /15min，數(shù)字溫度計(jì) 分度值 0. 01℃。測(cè)量結(jié)果示值偏差為 1. 5% 。

4 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)間隙比、轉(zhuǎn)速的變化導(dǎo)致間隙流流態(tài)不同，流態(tài)的變化影響粘度測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)顯示不同轉(zhuǎn)速下儀器示值偏差達(dá) 1. 5% ，樣品流態(tài)及其對(duì) 粘度測(cè)量的影響不應(yīng)該被忽略。因此，在實(shí)際生產(chǎn)、應(yīng)用、檢測(cè)過程中把 SMC 值作為常數(shù)值，采用標(biāo)準(zhǔn) 液在某一參數(shù)下校準(zhǔn)后全量程使用的方法不可取。建議在旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)根據(jù)客戶實(shí)際需要，對(duì)不同參數(shù)做 SMC 值修正，并確保應(yīng)用時(shí)采用同一參數(shù)。

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