關(guān)于氣體粘度測(cè)量的低頻振動(dòng)法研究
來源： http://www.324232.com 類別：實(shí)用技術(shù) 更新時(shí)間：2015-03-26 閱讀次
流體的粘度是工質(zhì)熱物性研究的重要內(nèi)容之一,它是化工、制冷、能源、材料等應(yīng)用領(lǐng)域中不可缺少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).目前在CFCs替代研究中,許多工質(zhì)的粘度數(shù)據(jù)都亟需擴(kuò)充和完善.對(duì)于低粘度液體的測(cè)量,一般可用各種形式的毛細(xì)管粘度計(jì)、落球粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)等進(jìn)行,但難以得到高壓下的精確數(shù)值.氣體粘度的測(cè)量則難度更大.
本世紀(jì)初,以水蒸氣為代表的低粘度流體粘度的測(cè)量由于工業(yè)發(fā)展的需要而逐漸展開.在測(cè)量方法上,大部分人沿用了測(cè)量液體粘度的方法,如落球法、旋轉(zhuǎn)筒法、借助毛細(xì)原理設(shè)計(jì)的各種方法以及利用標(biāo)準(zhǔn)噴管的阻力損失來進(jìn)行測(cè)量等等.但大多數(shù)測(cè)量的范圍狹窄,結(jié)果不甚滿意.
低頻振動(dòng)粘度計(jì)又稱振動(dòng)盤粘度計(jì),它在工作時(shí)是利用一個(gè)在被測(cè)流體中作簡(jiǎn)諧衰減扭振的圓盤來測(cè)量粘度,通常盤是懸掛于一根高彈扭絲下,振動(dòng)周期在10 s以上.由于其原理最先由Maxwell在18世紀(jì)提出,所以也有人稱Maxwell型粘度計(jì),它在低粘度流體的測(cè)量上得到比較高的精度.
Brown大學(xué)的J.Kestin等人總結(jié)了氣體粘度測(cè)量的諸多方法,首先利用振動(dòng)盤粘度計(jì)來測(cè)量水蒸氣的粘度,并得到了較高的精度,同時(shí),他們?cè)贛axwell理論的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展了其測(cè)量理論,并又對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),使之可用于液體和融鹽的粘度測(cè)定.其測(cè)量范圍達(dá)到30 MPa和500℃[1～3].
日本在Brown大學(xué)之后很快建立了自己的試驗(yàn)臺(tái)位,他們分別采用融解石英和不銹綱作為扭絲和盤的材料,并將振動(dòng)盤的初始振動(dòng)改用電磁激振,設(shè)計(jì)了較好的高壓定量加壓系統(tǒng),整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度約1%[4].
2($H-$0)H= ImD(s) (13)上式中H=T0T;$、H可以通過測(cè)量直接得到;D是未知量,若Q也是待測(cè)量,原則上,應(yīng)用(12)式和(13)式2個(gè)方程可以將D和Q一同解出(由D和Q即可得動(dòng)力粘性系數(shù)L);若只有D是待測(cè)量,可用(12)式或(13)式中的任何1個(gè)來求解,一般大都選用虛部方程即(13)式,進(jìn)一步的推導(dǎo)可以論證,對(duì)粘度較低的流體,實(shí)部方程對(duì)誤差的影響要更敏感一些.
利用上述理論進(jìn)行流體粘度的相對(duì)測(cè)量時(shí),一般也采用虛部方程,并在D(s)中加入1個(gè)邊界層厚度的函數(shù),作為校正項(xiàng).
目前,從發(fā)表的文獻(xiàn)上看,國外一般利用這種粘度計(jì)測(cè)量的精度在1%～3%左右,還有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)對(duì)常壓下20℃水的測(cè)量精度達(dá)到了0.01%.
我國目前在氣體的粘度測(cè)量上鮮有報(bào)導(dǎo),而在化工、制冷、能源等工業(yè)上,一些氣體及低粘度液體的粘度數(shù)據(jù)亟需擴(kuò)充、完善,因此開展我們自己的低粘度測(cè)量研究是很有必要的.
1 工作原理圖
在參考國外幾個(gè)試驗(yàn)臺(tái)位的基礎(chǔ)上,由我室自行設(shè)計(jì)的低頻振動(dòng)粘度計(jì)的本體.其中1為石英扭絲,上端固定,下端懸掛振動(dòng)盤;2為振動(dòng)盤;3為2個(gè)固定盤;4是跟隨振動(dòng)盤一起運(yùn)動(dòng)的吊桿;5是小鏡;6為推力軸承.準(zhǔn)備測(cè)量時(shí),先將本體轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)小角度,然后恢復(fù)原位,振動(dòng)盤就會(huì)在彈性扭絲的作用下做振幅逐漸衰減的簡(jiǎn)諧扭轉(zhuǎn)振動(dòng).由于小鏡是跟隨工作盤一起運(yùn)動(dòng)的,所以工作盤的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過記錄從小鏡反射出來的激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡得到,由其運(yùn)動(dòng)軌跡可以直接得到振動(dòng)的周期T和振幅的對(duì)數(shù)衰減率$,由這2個(gè)參數(shù),可以通過工作方程計(jì)算出振動(dòng)盤周圍流體的粘度.
2 測(cè)量原理及工作方程
對(duì)于振動(dòng)盤的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),可以對(duì)扭轉(zhuǎn)角A寫出下列運(yùn)動(dòng)方程IX20[d2A(S)dS2+ 2$0dA(S)dS+ (1 +$20)A(S)] =M(S) (1)初始條件S= 0, A(S) =A0, dA(S)dS= 0式中 M(S)為流體作用于盤的粘性阻力矩;X0=2PT0;T0為工作盤在真空中[M(S)=0]扭振的固有周期;$0為工作盤在真空中扭振的振幅對(duì)數(shù)衰減率;S=X0t為1個(gè)無量綱的時(shí)間變量;I=PR4h為振動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其中R為振動(dòng)盤半徑,h為振動(dòng)盤厚度.
經(jīng)過Laplance變換,方程(1)可以演變?yōu)閿?shù)據(jù)的平均偏差在10%以內(nèi),最大偏差不超過15%,如圖2.需要指出的是,圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是作者用此臺(tái)位進(jìn)行的早期試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)方法及其操作尚處于摸索之中,本文的測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)在一些點(diǎn)產(chǎn)生較大偏差的原因,可能是在最早進(jìn)行的真空數(shù)據(jù)測(cè)量中,由于低溫下的數(shù)據(jù)不是很好而導(dǎo)致的.作者目前對(duì)試驗(yàn)臺(tái)又進(jìn)行了完善,對(duì)其各個(gè)特征參數(shù)重新進(jìn)行了仔細(xì)測(cè)量,有關(guān)更大溫度范圍內(nèi)的R152a氣體粘度測(cè)量工作正在繼續(xù)進(jìn)行.
本世紀(jì)初,以水蒸氣為代表的低粘度流體粘度的測(cè)量由于工業(yè)發(fā)展的需要而逐漸展開.在測(cè)量方法上,大部分人沿用了測(cè)量液體粘度的方法,如落球法、旋轉(zhuǎn)筒法、借助毛細(xì)原理設(shè)計(jì)的各種方法以及利用標(biāo)準(zhǔn)噴管的阻力損失來進(jìn)行測(cè)量等等.但大多數(shù)測(cè)量的范圍狹窄,結(jié)果不甚滿意.
低頻振動(dòng)粘度計(jì)又稱振動(dòng)盤粘度計(jì),它在工作時(shí)是利用一個(gè)在被測(cè)流體中作簡(jiǎn)諧衰減扭振的圓盤來測(cè)量粘度,通常盤是懸掛于一根高彈扭絲下,振動(dòng)周期在10 s以上.由于其原理最先由Maxwell在18世紀(jì)提出,所以也有人稱Maxwell型粘度計(jì),它在低粘度流體的測(cè)量上得到比較高的精度.
Brown大學(xué)的J.Kestin等人總結(jié)了氣體粘度測(cè)量的諸多方法,首先利用振動(dòng)盤粘度計(jì)來測(cè)量水蒸氣的粘度,并得到了較高的精度,同時(shí),他們?cè)贛axwell理論的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)展了其測(cè)量理論,并又對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),使之可用于液體和融鹽的粘度測(cè)定.其測(cè)量范圍達(dá)到30 MPa和500℃[1～3].
日本在Brown大學(xué)之后很快建立了自己的試驗(yàn)臺(tái)位,他們分別采用融解石英和不銹綱作為扭絲和盤的材料,并將振動(dòng)盤的初始振動(dòng)改用電磁激振,設(shè)計(jì)了較好的高壓定量加壓系統(tǒng),整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度約1%[4].
2($H-$0)H= ImD(s) (13)上式中H=T0T;$、H可以通過測(cè)量直接得到;D是未知量,若Q也是待測(cè)量,原則上,應(yīng)用(12)式和(13)式2個(gè)方程可以將D和Q一同解出(由D和Q即可得動(dòng)力粘性系數(shù)L);若只有D是待測(cè)量,可用(12)式或(13)式中的任何1個(gè)來求解,一般大都選用虛部方程即(13)式,進(jìn)一步的推導(dǎo)可以論證,對(duì)粘度較低的流體,實(shí)部方程對(duì)誤差的影響要更敏感一些.
利用上述理論進(jìn)行流體粘度的相對(duì)測(cè)量時(shí),一般也采用虛部方程,并在D(s)中加入1個(gè)邊界層厚度的函數(shù),作為校正項(xiàng).
目前,從發(fā)表的文獻(xiàn)上看,國外一般利用這種粘度計(jì)測(cè)量的精度在1%～3%左右,還有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)對(duì)常壓下20℃水的測(cè)量精度達(dá)到了0.01%.
我國目前在氣體的粘度測(cè)量上鮮有報(bào)導(dǎo),而在化工、制冷、能源等工業(yè)上,一些氣體及低粘度液體的粘度數(shù)據(jù)亟需擴(kuò)充、完善,因此開展我們自己的低粘度測(cè)量研究是很有必要的.
1 工作原理圖
在參考國外幾個(gè)試驗(yàn)臺(tái)位的基礎(chǔ)上,由我室自行設(shè)計(jì)的低頻振動(dòng)粘度計(jì)的本體.其中1為石英扭絲,上端固定,下端懸掛振動(dòng)盤;2為振動(dòng)盤;3為2個(gè)固定盤;4是跟隨振動(dòng)盤一起運(yùn)動(dòng)的吊桿;5是小鏡;6為推力軸承.準(zhǔn)備測(cè)量時(shí),先將本體轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)小角度,然后恢復(fù)原位,振動(dòng)盤就會(huì)在彈性扭絲的作用下做振幅逐漸衰減的簡(jiǎn)諧扭轉(zhuǎn)振動(dòng).由于小鏡是跟隨工作盤一起運(yùn)動(dòng)的,所以工作盤的運(yùn)動(dòng)軌跡可以通過記錄從小鏡反射出來的激光束的運(yùn)動(dòng)軌跡得到,由其運(yùn)動(dòng)軌跡可以直接得到振動(dòng)的周期T和振幅的對(duì)數(shù)衰減率$,由這2個(gè)參數(shù),可以通過工作方程計(jì)算出振動(dòng)盤周圍流體的粘度.
2 測(cè)量原理及工作方程
對(duì)于振動(dòng)盤的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),可以對(duì)扭轉(zhuǎn)角A寫出下列運(yùn)動(dòng)方程IX20[d2A(S)dS2+ 2$0dA(S)dS+ (1 +$20)A(S)] =M(S) (1)初始條件S= 0, A(S) =A0, dA(S)dS= 0式中 M(S)為流體作用于盤的粘性阻力矩;X0=2PT0;T0為工作盤在真空中[M(S)=0]扭振的固有周期;$0為工作盤在真空中扭振的振幅對(duì)數(shù)衰減率;S=X0t為1個(gè)無量綱的時(shí)間變量;I=PR4h為振動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,其中R為振動(dòng)盤半徑,h為振動(dòng)盤厚度.
經(jīng)過Laplance變換,方程(1)可以演變?yōu)閿?shù)據(jù)的平均偏差在10%以內(nèi),最大偏差不超過15%,如圖2.需要指出的是,圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是作者用此臺(tái)位進(jìn)行的早期試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)方法及其操作尚處于摸索之中,本文的測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)在一些點(diǎn)產(chǎn)生較大偏差的原因,可能是在最早進(jìn)行的真空數(shù)據(jù)測(cè)量中,由于低溫下的數(shù)據(jù)不是很好而導(dǎo)致的.作者目前對(duì)試驗(yàn)臺(tái)又進(jìn)行了完善,對(duì)其各個(gè)特征參數(shù)重新進(jìn)行了仔細(xì)測(cè)量,有關(guān)更大溫度范圍內(nèi)的R152a氣體粘度測(cè)量工作正在繼續(xù)進(jìn)行.
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