非牛顿粘性流体对浮子流量传感器测量影响的试验研究

　　1　引　言

　　利用浮子流量传感器在工业流体的测量过程中,经常会涉及到对粘性流体的测量,当实际测量工作介质的粘度与标定介质的粘度不同时,粘性就会影响流量测量的准确性。对于这个问题,国内外许多专家做了大量的研究,但所研究的粘性介质通常是低粘的牛顿流体,而针对于非牛顿高粘性流体介质对浮子流量传感器流量影响的试验研究却鲜见于文献中。而实际工程中所测量高粘滞性流体和高分子溶液大都是非牛顿流体,鉴于上述原因,本文研究了宽粘度范围非牛顿粘性流体对于浮子流量传感器测量的影响[1~4]。

　　2　研究背景

　　2.1　浮子流量传感器的工作原理

　　浮子流量传感器基本工作原理如图1所示,在垂直的锥形管中放置一阻力件,也就是浮子。当流体自下而上流过锥管时,由于浮子的阻塞作用使其上下表面产生了压差,从而对浮子形成一个向上的作用力,如果所测流体是粘性流体,还应该考虑浮子表面的粘性摩擦力。当升力大于浮子本身的重力时,浮子向上升,浮子与锥形管之间的环通面积增大,流速减低,此时浮子对流体阻力作用减小。当浮子受到的力达到平衡时,浮子就会停留在某一高度。

　　浮子流量传感器有很多优点:工作可靠,适应于高压、高温条件;能测量腐蚀性气体和液体;此外浮子流量传感器有粘度补偿的特点,即合理设计浮子形状可以减小测量过程中介质粘度对浮子流量传感器测量的影响,从而保证在某一粘度范围内,传感器测量误差能够满足使用要求[5~7]。所以本文在研究非牛顿粘性流体对浮子流量传感器影响规律的基础上,还分析和总结了粘度不敏感浮子的结构特点与减粘原理,为浮子流量传感器在更宽泛的粘度范围内对粘性流体准确测量提供了试验基础。

　　2.2　非牛顿流体的特性

　　流体粘性产生于流体输运特性中的动量输运,牛顿首先根据剪切流动的实验结果导出在流体内部存在速度梯度du/dy时,作用在与该速度梯度方向垂直的单位面积上剪切应力τ与du/dy之间的关系是:

　　式(1)被称为一维粘性流动的牛顿粘性定律。当式中η为常数时,符合这一规律的流体即被称为牛顿流体。如果η值不是常数,即不符牛顿粘性定律时,该流体即称非牛顿流体。非牛顿流体在工业应用中极为普遍,食品工业中的奶油、蜂蜜、蛋白、果酱;建筑材料中的沥青、水泥浆;大多数油类及润滑脂、高分子聚合物溶液、树胶;动物血液等均是非牛顿流体。典型的非牛顿流体以假塑性流体、膨胀性流体和宾汉流体为代表[1,8]。

　　由于实际工程中所测量的非牛顿流体大多是剪切渐稀的假塑性流体,故本文试验测量所用粘性介质是甲基纤维素(MC6000)的水溶液,该溶液属于假塑性流体,甲基纤维素的粘性与剪切速率可以按照Carreau模型来定义: