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:
3 试验设备与试验方法
3.1 试验装置
本试验是在流动特性、流体其它特性(温度、压力、密度)完全相同的情况下,仅改变被测流体粘度,对多个粘度点进行传感器特性试验。试验装置采用称重法和标准表法测量,本文采用称重法进行了试验测试,称重法的精度为±0. 2%,图2是试验用流量标准装置示意图。
试验中分别以水、甲基纤维素的水溶液为试验介质,通过改变甲基纤维素在水中溶解比例来控制水溶液的粘度大小。由于甲基纤维素的水溶液密度与水非常接近(常温下为1 001 kg/m3),故浮子流量传感器测量甲基纤维素水溶液流量体积无需密度修正。
3.2 试验中使用的浮子流量传感器
选用口径DN25mm浮子流量传感器进行试验,其中选用了五个不同形状浮子组成的不同浮子流量传感器,通过物理试验来比较不同形状的浮子流量传感器受粘度影响的规律,其中个别浮子形状分别用两种不同材料各制造一件,以检验不同密度的浮子受粘性影响程度,图3给出各种类型浮子形状的示意图。
3.3 试验方法
试验目的是希望能够了解不同材质、不同形状浮子所构成的浮子流量传感器在测量非牛顿流体流量时,流体粘性对测量影响的规律,并提出减小粘性影响浮子流量传感器的改进意见。在水流量和甲基纤维素水溶液流量测量的检测点一般为10个,但试验流量点的流量值和流量点个数随试验和传感器不同略有差异。每一种形状浮子在每一种粘度下进行三次正反行程的流量测量。
为了更好地描述不同浮子在不同粘度流体中受到粘性影响的程度和定量分析浮子的减粘效果。定义了浮子流量传感器在粘性液体中受粘性影响程度的指数———粘性影响率:
式中:Ki———浮子在第i个流向坐标位置处,浮子流量传感器测量粘度等于η0的粘性流体的粘性影响率;QWi———浮子在第i个流向坐标位置处,被测介质为水的流量,这里是指处于标准状态下的水溶液;Qη0i———在浮子第i个流向坐标位置处,被测介质粘性等于η0的粘性流体的实际流量;K———浮子传感器测量粘度等于η0粘性流体的粘性影响率,粘性影响率可以理解为,首先通过水溶液标定浮子流量传感器的浮子流向高度与刻度流量的关系,然后使用该浮子流量传感器测量粘度等于η0的粘性流体,由于粘性的影响,所测粘性流体的流量并不等于此时浮子停留高度处所测水溶液的流量,由此产生测量 此粘度流体流量的最大满度误差就是粘性影响率。
4 实验结果与分析
4.1 非牛顿流体对不同材质浮子所构成浮子流量传感器测量的影响
为了检验非牛顿流体介质对不同密度材质的浮子所构成浮子流量传感器流量测量的影响,本试验对CF_C和DF_C型浮子分别制造了铝和不锈钢两种材料的浮子,同时保证不同材料的浮子具有相同的尺寸和表面光洁度。
根据式(3),得到了反映铝制与钢制浮子所构成浮子流量传感器测量粘性溶液流量的粘性影响率对比图,如图4所示。
从图4可以看出,粘性流体对于流体测量的影响是不可忽视的,其中最大粘度影响率接近于16%,即使最小的粘性影响率也在2%左右。在铝制与钢制浮子所构成浮子流量传感器测量粘性流体粘性影响率的比较图中,可以很清楚地看出铝制浮子所构成的浮子流量传感器的粘性影响率要远远地高于同体积的钢制浮子构成的浮子流量传感器,特别是DF_C型的对比效果更明显,这表明减粘效果与浮子密度有密切的关系,同一体积下,浮子密度越大,质量越大,粘性力对浮子传感器测量性能影响越小,减粘效果越明显。
4.2 非牛顿流体对不同形状浮子所构成浮子流量传感器测量的影响
从图4的比较中也可以发现,浮子传感器在使用同一种材质但不同形状条件下,其受到的粘性影响也不同,这说明改变浮子的形状也可以减小粘性对浮子的影响,所以本试验进一步测试了粘性介质对五种不同形状的钢制浮子所构成的浮子流量传感器的影响,试验中除了测试水溶液,还测试了6组高粘度的甲基纤维素水溶液,它们的零剪切粘度分别是137MPa·s、495MPa·s、1215MPa·s、1692MPa·s、1 962MPa·s和2 692MPa·s,根据试验测量结果可以获得各种形状浮子所构成浮子流量传感器粘度修正曲线,如图5~9,浮子流量传感器的修正曲线反映了当浮子在锥管中保持一固定流向高度时,所能通过的不同粘度流体流量的变化。
从图中可以看出粘度修正曲线随粘度变化的基本规律,即浮子流量传感器所测溶液粘度大于水时,在同一浮子高度处,流量传感器所测粘性介质的实际流量要小于水的实际流量值,而且随着粘度的增加,修正曲线中流量也变小。从流体力学角度出发,一般把物体在流体中运动所受的阻力分为摩擦阻力和压差阻力,前者是表面切应力的贡献,后者则为表面压强的作用,表面切应力与表面压强的大小都与粘性有关,由于浮子受到向上的升力就是摩擦力与压差的合力,所以从一般规律上讨论,流体介质粘性越大,浮子受到的流向粘性力就越大,所以随着流体粘性的增加,浮子平衡在一定高度所需要的流量就越小。
从图5和图9中可以发现,在ACF型与DF_L型浮子流量传感器的粘度修正曲线中,流量值并非随着粘度增加而单调减小,注意到修正曲线在零剪切粘度小于500MPa·s区间出现抬升现象,显示出低于水溶液粘度的低粘流体粘度修正曲线特征。
根据边界层理论,无论是层流还是湍流,由于粘性而使物面边界产生边界层(涡层),当粘性流体流过浮子最大截面而后突然流动“分离”。这样产生的分离层迅速形成一个或多个涡,这样的涡可以滞留在物体后部。也就是说,流体流经浮子与管壁之间的环隙时,环隙速度增大,流体在截面内均匀分布,当截面沿流动方向突然增大的时候,由于分离形成了滞留在浮子最大截面后部涡流区,从而形成逆流,使浮子整体表面所受到粘性摩擦力在流动方向减小,甚至与浮子上升方向相反,这样就减小了粘性摩擦力的作用,甚至部分抵消了流体粘性作用于流向方向的压差阻力。对于ACF型和DF_L型浮子来说,AC_F型浮子具有特别锋利的边缘和靠前的分离点,流体流过最大截面后,在浮子后部出现剧烈的旋涡,故反向于流向的粘性力很显著;而DF_L型虽然较ACF型分离点靠后,但其后部处在涡流区的浮子表面积要大于ACF型(DF_L为圆柱,而ACF为圆台)浮子,所以其在旋涡区所受反向粘性摩擦合力并不比ACF小,故在两种类型的浮子修正曲线中,出现了在某些粘度区域的曲线抬高现象。对于ACF型、DF_L型浮子传感器的500MPa·s以上粘度范围曲线和其它三种类型浮子的粘性曲线,虽然在涡流区内的浮子摩擦阻力有减粘效果,但浮子上下表面受粘性介质影响的压差阻力比摩擦阻力更显著,即摩擦阻力与压差阻力的流向合力还是随粘性的增加而增加;同时由于粘性增大,在同样的入口流量下,雷诺数减小,弱化了经过分离点形成的旋涡,旋涡作用于浮子表面且反向于流向的粘性摩擦力减小,所以在大于500MPa·s的高粘范围,浮子流量传感器粘性修正曲线中的流量随着粘度的增加而单 调减小。
根据以上测量结果得到了上述各个类型浮子所构成的流量传感器在各粘度流体的粘性影响率,如表1所示。
可以发现受粘度影响最小的是ACF型与DF_L型浮子,它们在测量最大粘性溶液中粘性影响率分别为25.8256%和29.7902%;平均粘性影响率分别为13. 573 4%和11. 426 9%;如果测量粘度在495MPa·s范围的非牛顿粘性溶液,两种浮子的粘性影响率可以控制在5%,对于DF_L型浮子,其粘性影响率只有2. 823 4%。而上述ACF型与DF_L型浮子能够减粘的机理正是在讨论粘性修正曲线出现抬升现象时所给出的分析,两方面的数据都验证了涡旋对浮子流量传感器的减粘作用。
同时表1也表明,尽管浮子流量传感器所测量的非牛顿流体粘性很高,但任意一种形状浮子所构成的浮子流量传感器在测量零剪切粘度为2 692MPa·s范围内的甲基纤维素水溶液的粘性影响率最大不超过37%。浮子流量传感器在测量非牛顿流体过程中的减粘效果是来源于非牛顿溶液的剪切稀化现象和浮子流量传感器特有的工作原理,即当非牛顿流体流经浮子与锥管之间的狭小空间时,强烈的剪切使非牛顿流体中的粒子发生定向、伸展、变形或分散等运动,从而使流动阻力减少,这说明浮子流量传感器比较适合测量高粘非牛顿流体;同时也说明采用优化浮子结构来减小粘性流体对浮子流量传感器测量影响的方法是可行的。
5 结 论
(1)浮子流量传感器在测量非牛顿粘性流体时会受到液体粘性力的影响,其表现为浮子流量传感器的测量流量大于实际流量,而且随着液体粘度的增加,这种影响也随之增大。
(2)利用浮子流量传感器测量非牛顿粘性流体时,同一体积浮子,其密度越大,浮子流量传感器受到粘性影响越小。
(3)浮子迎流面的边缘越锋利,分离点越靠前,受到粘性影响越小;由于边界层分离产生了涡旋场,当浮子分离点后部的表面积越大,浮子流量传感器的减粘效果越好。
(4)非牛顿流体流经浮子与锥管之间的狭小空间时,强烈的剪切使非牛顿流体中的粒子发生定向、伸展、变形或分散等运动,从而使流动阻力减少。
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