立式回转实验环道及测试

　　小型实验管道(或环道)是摸拟流体在实际管道中流动的一种实验手段。当要摸拟长时间的流动时,常使用泵等各种驱动装置维持流体在环道中的循环,每过泵循环一次就经历一次剪切。对有剪切依赖的非牛顿流体(如含蜡原油),多次频繁的过泵剪切,必然会影响到流体的流动性质,使环道模拟结果不能真实反映流体在长距离管道中的流动情况。

　　1　立式回转实验环道的构思

　　由立式环管、驱动装置和信号采集处理系统构成管流模拟装置(图1)。实验时向环管内充入约半管实验流体,当环管旋转时,流体与环管间产生相对运动,实现流动模拟。根据相对运动的原理,环管转动时,流体段两端将出现液位差(图2),环管转速不同,管内流体的流速不同,液体段两端的液位差也不同。安装在管壁上的温度、压力传感器随环管转动,不断进出液体,根据压力传感器的测量结果,可确定液体段两端的液位差。根据液位差产生的重力及管内液体的流速,即可实现流动性的测量。测量信号采用无线传输方式传输到计算机,以解决传感器在运动过程中的信号传输问题。

　　2　环道的测量原理

　　当环管转速在一定范围内时,环管与流体间有相对流动,流体段两端有一定的液位差。当转速超过某一临界值后,流体将随环管一起转动,失去相对流动。该临界转速值与转速、环管半径r0、环道曲率半径R0、流体物性等有关。环管转动时(图2),设前液角为θ1,后液角角为θ2,原油密度为ρ,粘度μa。流体段在环管内稳定流动时,重力力矩与流体段与管壁的摩擦力力矩相等。

　　流体段重力力矩:

　　若实验液体量为半管,即θ1+θ22=π2,且当θ1-θ22=π2时,WGmax=2ρgπr20R20

　　摩擦力力矩:对非牛顿幂律流体,流体在管壁处的切应力为:τw=μa.γw式中:μa为表观粘度; n为流变特性指数;V为平均流速,m/s。当环管转速为-ωm(转/分)时,管壁处剪切应力为:

　　对旋转中心的力矩为:

　　对于牛顿流体,n=1,有: Wτ=4π2R20(L1+L2)15μ-ωm

　　维持相对流动需满足条件: Wτ≤WGmax

　　即:

　　选择圆环管道的尺寸为R0=750mm,r0=15mm。当流体粘度为200mPa·s时,其转速范围为1~8. 6 r/min,剪切率范围为20~180 1/s;当流体的粘度为600mPa·s时,最大转速为3 r/min,剪切率也相对降低。因此当流体粘度较大(粘度大于600 mPa·s)时,需更换大尺寸的环管,以满足流动剪切模拟和测试的要求。

　　安装在管壁上的温度传感器和压力传感器随环管转动,不断出入液体段,测量温度及处于管内不同位置的压力。根据传感器过A、B、D点送出的信号可确定管内液体段的有效长度和两端液位差,根据液位差可得到流体的粘度。