為了檢驗(yàn)高分子聚合物黏性溶液對(duì)不同密度材質(zhì)的浮子所構(gòu)成的金屬管浮子流量計(jì)流量測(cè)量的影響,本實(shí)驗(yàn)分別制造了鋁和不銹鋼2種材料的CF__C和DF__C型浮子,同時(shí)保證不同材料的浮子具有相同的尺寸和表面光潔度。根據(jù)式(3)得到鋁質(zhì)與不銹鋼質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量黏性溶液流量的測(cè)量誤差對(duì)比,如圖5和圖6所示。
從圖5和圖6可以看出,黏性流體對(duì)流體測(cè)量的影響是不可忽視的,其中最大黏度測(cè)量誤差接近于16%,最小測(cè)量誤差也在2%左右。在鋁質(zhì)與不銹鋼質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量聚合物黏性溶液的測(cè)量誤差比較圖中,可以很清楚地看出鋁制浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)的測(cè)量誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于同體積的不銹鋼質(zhì)浮子構(gòu)成的浮子流量計(jì),特別是DF__C型的對(duì)比更明顯,這表明流體黏性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響與浮子密度有密切的關(guān)系,同一體積下,浮子密度越大,質(zhì)量越大，黏性力對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量性能的影響越小。
黏性溶液對(duì)不同形狀浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量的影響
比較圖5與圖6還可以發(fā)現(xiàn),在使用同一種材質(zhì)但不同形狀的浮子時(shí),金屬管浮子流量計(jì)受到的黏性影響也不同,這說(shuō)明改變浮子的形狀也可以減小黏性對(duì)浮子的影響,所以本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)試了黏性溶液對(duì)5種不同形狀的不銹鋼質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)的影響,實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了6組高黏度的甲基纖維素溶液,它們的零剪切黏度分別137MPa·s495MPa·s~1215MPa.s~1692MPa.s.1962MPa·s和2692MPa·s,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以獲得各種形狀的浮子所構(gòu)成浮子流量計(jì)的黏度修正曲線,如圖7~11所示,浮子流量計(jì)的鉆性修正曲線反映了當(dāng)浮子在錐管中保持一定流向高度時(shí)，所通過(guò)的不同黏度流體的流量變化曲線。
圖7~11中可以看出黏度修正曲線隨黏度變化的基本規(guī)律,即浮子流量計(jì)在測(cè)量黏度大于水的黏性溶液時(shí)，保持錐管中浮子在一定高度,流量計(jì)所測(cè)黏性溶液的實(shí)際流量要小于水的實(shí)際流量,而且隨著黏度的增加.修正曲線中流量值繼續(xù)變小。從流體力學(xué)角度出發(fā),一般把物體在黏性流體中運(yùn)動(dòng)所受的阻力分為摩擦阻力和壓差阻力,前者是表面切應(yīng)力的貢獻(xiàn),后者則為表面壓強(qiáng)的作用,表面切應(yīng)力與表面壓強(qiáng)的大小都與黏性有關(guān),由于浮子受到向上的升力就是摩擦力與壓差的合力,一般情況下,流體介質(zhì)黏性越大,浮子受到的流向黏性力就越大,所以隨著流體黏性的增加,浮子平衡在一定高度所需要的流量就越小。
從圖7~11中可以發(fā)現(xiàn),在ACF型與DFL型浮子流量計(jì)的黏度修正曲線中,流量值并非隨著黏度增加而單調(diào)減小，修正曲線在零剪切黏度小于500MPa，s區(qū)間出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,顯示出低于水溶液黏度的低黏流體黏度修正曲線特征。
根據(jù)邊界層理論,無(wú)論是層流還是湍流,由于黏性而使物面邊界產(chǎn)生邊界層(渦層).當(dāng)黏性流體流過(guò)浮子最.大截面后突然流動(dòng)“分離”。這樣產(chǎn)生的分離層迅速形成1個(gè)或多個(gè)渦,這樣的渦可以滯留在物體后部。也就是說(shuō).流體流經(jīng)浮子與管壁之間的環(huán)隙時(shí).環(huán)隙速度增大，流體在截面內(nèi)均勻分布,當(dāng)截面沿流動(dòng)方向突然增大的時(shí)候,由于分離形成了滯留在浮子最大截面后部渦流區(qū),從而形成逆流,使浮子整體表面所受到的黏性摩擦力在流動(dòng)方向減小,甚至與浮子上升方向相反，這樣就減小了黏性摩擦力的作用,部分抵消了流體黏性作用于流向方向的壓差阻力.對(duì)于ACF型和DF._L型浮子來(lái)說(shuō).ACF型浮子具有特別鋒利的邊緣和靠前的分離點(diǎn),流體流過(guò)最大截面后。在浮子后部出現(xiàn)劇烈的旋渦,故反向于流向的黏性力很顯著:而DF.L型雖然較ACF型分離點(diǎn)靠后,但其后部處在渦流區(qū)的浮子表面積要大于ACF型.浮子的表面積(DF.L型為圓柱,而ACF型為圓臺(tái)).所以其在旋渦區(qū)所受反向黏性摩擦合力并不比ACF的小,故在2種類型的浮子修正曲線中,出現(xiàn)了在較低黏度區(qū)域的曲線抬高現(xiàn)象。分析ACF型、DF.L型浮子流量計(jì)測(cè)量黏度大于500MPa.:以上的黏性溶液所得黏性曲線以及其他3種類型浮子的黏性曲線,雖然在渦旋區(qū)內(nèi)的:淳子摩擦阻力有減小黏性影響的效果。但浮子上下表面受黏性介質(zhì)影響的壓差阻力比摩擦阻力更顯著，即摩擦阻力與壓差阻力的流向合力還是隨黏性的增加而增大;同時(shí)由于黏性增大.在同樣的入口流量下.雷諾數(shù)減小。弱化了經(jīng)過(guò)分離點(diǎn)形成的旋渦.旋渦作用于浮子表面且反向于流向的黏性摩擦力減小,所以在大于500MPa.s的高黏度范圍,浮子流量計(jì)黏性修正曲線中的流量隨著黏度的增加而單調(diào)減小.
根據(jù)測(cè)量結(jié)果得到上述各種類型浮子所構(gòu)成的流量計(jì)測(cè)量不同黏度溶液時(shí)的測(cè)量誤差,如表1所示.
從表1可以看出受黏度影響最小的是ACF型與DF.L型浮子,它們測(cè)量最大黏性溶液時(shí)測(cè)量誤差分別25.8256%和297902%;平均測(cè)量誤差分別為135734%和114269%;如果測(cè)量黏度在495MPa.s范圍的聚合物黏性溶液.2種浮子的測(cè)量誤差可以控制在5%。對(duì)于DFL型浮子,其測(cè)量誤差只有28234%。而上述ACF型與DFL型浮子能夠減黏的機(jī)理正是在討論黏性修正曲線出現(xiàn)抬升現(xiàn)象時(shí)所給出的分析,兩方面的數(shù)據(jù)都驗(yàn)證了渦旋對(duì)浮子流量計(jì)的減黏作用。
同時(shí)表1也表明,盡管金屬管浮子流量計(jì)所測(cè)量的高分子聚合物溶液黏性很高,但任意一種形狀浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)在測(cè)量零剪切黏度為2692MPa.s范圍內(nèi)的甲基纖維素溶液的測(cè)量誤差最大不超過(guò)37%。浮子流量計(jì)在測(cè)量聚合物溶液過(guò)程中的黏度不敏感性來(lái)源于假塑性聚合物溶液的剪切稀化現(xiàn)象和浮子流量計(jì)特有的工作原理,即當(dāng)流體流經(jīng)浮子與錐管之間的狹小空間時(shí),強(qiáng)烈的剪切使假塑性流體溶液中的粒子發(fā)生定向、伸展變形或分散等運(yùn)動(dòng),使流動(dòng)阻力減少,從而使浮子流量計(jì)在測(cè)量聚合物黏性溶液流量時(shí)受到了較小的黏性影響;同時(shí)也說(shuō)明采用優(yōu)化浮子結(jié)構(gòu)來(lái)減小黏性流體對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量影響的方法是可行的。 |
