關(guān)于氣體粘度測量的低頻振動法研究
來源： http://m.lovemassage.cn 類別：實用技術(shù) 更新時間：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)都亟需擴充和完善.對于低粘度液體的測量,一般可用各種形式的毛細(xì)管粘度計、落球粘度計、旋轉(zhuǎn)粘度計等進行,但難以得到高壓下的精確數(shù)值.氣體粘度的測量則難度更大.
本世紀(jì)初,以水蒸氣為代表的低粘度流體粘度的測量由于工業(yè)發(fā)展的需要而逐漸展開.在測量方法上,大部分人沿用了測量液體粘度的方法,如落球法、旋轉(zhuǎn)筒法、借助毛細(xì)原理設(shè)計的各種方法以及利用標(biāo)準(zhǔn)噴管的阻力損失來進行測量等等.但大多數(shù)測量的范圍狹窄,結(jié)果不甚滿意.
低頻振動粘度計又稱振動盤粘度計,它在工作時是利用一個在被測流體中作簡諧衰減扭振的圓盤來測量粘度,通常盤是懸掛于一根高彈扭絲下,振動周期在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,它在低粘度流體的測量上得到比較高的精度.
Brown大學(xué)的J.Kestin等人總結(jié)了氣體粘度測量的諸多方法,首先利用振動盤粘度計來測量水蒸氣的粘度,并得到了較高的精度,同時,他們在Maxwell理論的基礎(chǔ)上,進一步發(fā)展了其測量理論,并又對設(shè)計進行了改進,使之可用于液體和融鹽的粘度測定.其測量范圍達(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臺位,他們分別采用融解石英和不銹綱作為扭絲和盤的材料,并將振動盤的初始振動改用電磁激振,設(shè)計了較好的高壓定量加壓系統(tǒng),整個測量系統(tǒng)的精度約1%[4].
2($H-$0)H= ImD(s) (13)上式中H=T0T;$、H可以通過測量直接得到;D是未知量,若Q也是待測量,原則上,應(yīng)用(12)式和(13)式2個方程可以將D和Q一同解出(由D和Q即可得動力粘性系數(shù)L);若只有D是待測量,可用(12)式或(13)式中的任何1個來求解,一般大都選用虛部方程即(13)式,進一步的推導(dǎo)可以論證,對粘度較低的流體,實部方程對誤差的影響要更敏感一些.
利用上述理論進行流體粘度的相對測量時,一般也采用虛部方程,并在D(s)中加入1個邊界層厚度的函數(shù),作為校正項.
目前,從發(fā)表的文獻(xiàn)上看,國外一般利用這種粘度計測量的精度在1%～3%左右,還有文獻(xiàn)報導(dǎo)對常壓下20℃水的測量精度達(dá)到了0.01%.
我國目前在氣體的粘度測量上鮮有報導(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)亟需擴充、完善,因此開展我們自己的低粘度測量研究是很有必要的.
1 工作原理圖
在參考國外幾個試驗臺位的基礎(chǔ)上,由我室自行設(shè)計的低頻振動粘度計的本體.其中1為石英扭絲,上端固定,下端懸掛振動盤;2為振動盤;3為2個固定盤;4是跟隨振動盤一起運動的吊桿;5是小鏡;6為推力軸承.準(zhǔn)備測量時,先將本體轉(zhuǎn)動1個小角度,然后恢復(fù)原位,振動盤就會在彈性扭絲的作用下做振幅逐漸衰減的簡諧扭轉(zhuǎn)振動.由于小鏡是跟隨工作盤一起運動的,所以工作盤的運動軌跡可以通過記錄從小鏡反射出來的激光束的運動軌跡得到,由其運動軌跡可以直接得到振動的周期T和振幅的對數(shù)衰減率$,由這2個參數(shù),可以通過工作方程計算出振動盤周圍流體的粘度.
2 測量原理及工作方程
對于振動盤的扭轉(zhuǎn)振動,可以對扭轉(zhuǎn)角A寫出下列運動方程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;$0為工作盤在真空中扭振的振幅對數(shù)衰減率;S=X0t為1個無量綱的時間變量;I=PR4h為振動盤的轉(zhuǎn)動慣量,其中R為振動盤半徑,h為振動盤厚度.
經(jīng)過Laplance變換,方程(1)可以演變?yōu)閿?shù)據(jù)的平均偏差在10%以內(nèi),最大偏差不超過15%,如圖2.需要指出的是,圖2的試驗數(shù)據(jù)是作者用此臺位進行的早期試驗結(jié)果,試驗方法及其操作尚處于摸索之中,本文的測量結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)在一些點產(chǎn)生較大偏差的原因,可能是在最早進行的真空數(shù)據(jù)測量中,由于低溫下的數(shù)據(jù)不是很好而導(dǎo)致的.作者目前對試驗臺又進行了完善,對其各個特征參數(shù)重新進行了仔細(xì)測量,有關(guān)更大溫度范圍內(nèi)的R152a氣體粘度測量工作正在繼續(xù)進行.
本世紀(jì)初,以水蒸氣為代表的低粘度流體粘度的測量由于工業(yè)發(fā)展的需要而逐漸展開.在測量方法上,大部分人沿用了測量液體粘度的方法,如落球法、旋轉(zhuǎn)筒法、借助毛細(xì)原理設(shè)計的各種方法以及利用標(biāo)準(zhǔn)噴管的阻力損失來進行測量等等.但大多數(shù)測量的范圍狹窄,結(jié)果不甚滿意.
低頻振動粘度計又稱振動盤粘度計,它在工作時是利用一個在被測流體中作簡諧衰減扭振的圓盤來測量粘度,通常盤是懸掛于一根高彈扭絲下,振動周期在10 s以上.由于其原理最先由Maxwell在18世紀(jì)提出,所以也有人稱Maxwell型粘度計,它在低粘度流體的測量上得到比較高的精度.
Brown大學(xué)的J.Kestin等人總結(jié)了氣體粘度測量的諸多方法,首先利用振動盤粘度計來測量水蒸氣的粘度,并得到了較高的精度,同時,他們在Maxwell理論的基礎(chǔ)上,進一步發(fā)展了其測量理論,并又對設(shè)計進行了改進,使之可用于液體和融鹽的粘度測定.其測量范圍達(dá)到30 MPa和500℃[1～3].
日本在Brown大學(xué)之后很快建立了自己的試驗臺位,他們分別采用融解石英和不銹綱作為扭絲和盤的材料,并將振動盤的初始振動改用電磁激振,設(shè)計了較好的高壓定量加壓系統(tǒng),整個測量系統(tǒng)的精度約1%[4].
2($H-$0)H= ImD(s) (13)上式中H=T0T;$、H可以通過測量直接得到;D是未知量,若Q也是待測量,原則上,應(yīng)用(12)式和(13)式2個方程可以將D和Q一同解出(由D和Q即可得動力粘性系數(shù)L);若只有D是待測量,可用(12)式或(13)式中的任何1個來求解,一般大都選用虛部方程即(13)式,進一步的推導(dǎo)可以論證,對粘度較低的流體,實部方程對誤差的影響要更敏感一些.
利用上述理論進行流體粘度的相對測量時,一般也采用虛部方程,并在D(s)中加入1個邊界層厚度的函數(shù),作為校正項.
目前,從發(fā)表的文獻(xiàn)上看,國外一般利用這種粘度計測量的精度在1%～3%左右,還有文獻(xiàn)報導(dǎo)對常壓下20℃水的測量精度達(dá)到了0.01%.
我國目前在氣體的粘度測量上鮮有報導(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)亟需擴充、完善,因此開展我們自己的低粘度測量研究是很有必要的.
1 工作原理圖
在參考國外幾個試驗臺位的基礎(chǔ)上,由我室自行設(shè)計的低頻振動粘度計的本體.其中1為石英扭絲,上端固定,下端懸掛振動盤;2為振動盤;3為2個固定盤;4是跟隨振動盤一起運動的吊桿;5是小鏡;6為推力軸承.準(zhǔn)備測量時,先將本體轉(zhuǎn)動1個小角度,然后恢復(fù)原位,振動盤就會在彈性扭絲的作用下做振幅逐漸衰減的簡諧扭轉(zhuǎn)振動.由于小鏡是跟隨工作盤一起運動的,所以工作盤的運動軌跡可以通過記錄從小鏡反射出來的激光束的運動軌跡得到,由其運動軌跡可以直接得到振動的周期T和振幅的對數(shù)衰減率$,由這2個參數(shù),可以通過工作方程計算出振動盤周圍流體的粘度.
2 測量原理及工作方程
對于振動盤的扭轉(zhuǎn)振動,可以對扭轉(zhuǎn)角A寫出下列運動方程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數(shù)衰減率;S=X0t為1個無量綱的時間變量;I=PR4h為振動盤的轉(zhuǎn)動慣量,其中R為振動盤半徑,h為振動盤厚度.
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的試驗數(shù)據(jù)是作者用此臺位進行的早期試驗結(jié)果,試驗方法及其操作尚處于摸索之中,本文的測量結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的數(shù)據(jù)在一些點產(chǎn)生較大偏差的原因,可能是在最早進行的真空數(shù)據(jù)測量中,由于低溫下的數(shù)據(jù)不是很好而導(dǎo)致的.作者目前對試驗臺又進行了完善,對其各個特征參數(shù)重新進行了仔細(xì)測量,有關(guān)更大溫度范圍內(nèi)的R152a氣體粘度測量工作正在繼續(xù)進行.
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