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技术文章  

金属管浮子流量计测量受黏性溶液影响


发布日期:2021-06-02 点击:125次
  为了检验高分子聚合物黏性溶液对不同密度材质的浮子所构成的金属管浮子流量计流量测量的影响,本实验分别制造了铝和不锈钢2种材料的cf__c和df__c型浮子,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)得到铝质与不锈钢质浮子所构成的浮子流量计测量黏性溶液流量的测量误差对比,如图5和图6所示。
  从图5和图6可以看出,黏性流体对流体测量的影响是不可忽视的,其中最大黏度测量误差接近于16%,最小测量误差也在2%左右。在铝质与不锈钢质浮子所构成的浮子流量计测量聚合物黏性溶液的测量误差比较图中,可以很清楚地看出铝制浮子所构成的浮子流量计的测量误差要远远的高于同体积的不锈钢质浮子构成的浮子流量计,特别是df__c型的对比更明显,这表明流体黏性对测量结果的影响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,黏性力对浮子流量计测量性能的影响越小。

黏性溶液对不同形状浮子所构成的浮子流量计测量的影响
  比较图5与图6还可以发现,在使用同一种材质但不同形状的浮子时,
金属管浮子流量计受到的黏性影响也不同,这说明改变浮子的形状也可以减小黏性对浮子的影响,所以本实验进一步测试了黏性溶液对5种不同形状的不锈钢质浮子所构成的浮子流量计的影响,实验中测试了6组高黏度的甲基纤维素溶液,它们的零剪切黏度分别137mpa·s495mpa·s~1215mpa.s~1692mpa.s.1962mpa·s和2692mpa·s,根据实验测量结果可以获得各种形状的浮子所构成浮子流量计的黏度修正曲线,如图7~11所示,浮子流量计的钻性修正曲线反映了当浮子在锥管中保持一定流向高度时,所通过的不同黏度流体的流量变化曲线。

  图7~11中可以看出黏度修正曲线随黏度变化的基本规律,即浮子流量计在测量黏度大于水的黏性溶液时,保持锥管中浮子在一定高度,流量计所测黏性溶液的实际流量要小于水的实际流量,而且随着黏度的增加.修正曲线中流量值继续变小。从流体力学角度出发,一般把物体在黏性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黏性有关,由于浮子受到向上的升力就是摩擦力与压差的合力,一般情况下,流体介质黏性越大,浮子受到的流向黏性力就越大,所以随着流体黏性的增加,浮子平衡在一定高度所需要的流量就越小。

  从图7~11中可以发现,在acf型与dfl型浮子流量计的黏度修正曲线中,流量值并非随着黏度增加而单调减小,修正曲线在零剪切黏度小于500mpa,s区间出现抬升现象,显示出低于水溶液黏度的低黏流体黏度修正曲线特征。
  根据边界层理论,无论是层流还是湍流,由于黏性而使物面边界产生边界层(涡层).当黏性流体流过浮子最.大截面后突然流动“分离”。这样产生的分离层迅速形成1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的黏性摩擦力在流动方向减小,甚至与浮子上升方向相反,这样就减小了黏性摩擦力的作用,部分抵消了流体黏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.acf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,故反向于流向的黏性力很显著: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.浮子的表面积(df.l型为圓柱,而acf型为圆台).所以其在旋涡区所受反向黏性摩擦合力并不比acf的小,故在2种类型的浮子修正曲线中,出现了在较低黏度区域的曲线抬高现象。分析acf型、df.l型浮子流量计测量黏度大于500mpa.:以上的黏性溶液所得黏性曲线以及其他3种类型浮子的黏性曲线,虽然在涡旋区内的:淳子摩擦阻力有减小黏性影响的效果。但浮子上下表面受黏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黏性的增加而增大;同时由于黏性增大.在同样的入口流量下.雷诺數减小。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黏性摩擦力减小,所以在大于500mpa.s的高黏度范围,浮子流量计黏性修正曲线中的流量随着黏度的增加而单调减小.
  根据测量结果得到上述各种类型浮子所构成的流量计测量不同黏度溶液时的测量误差,如表1所示.

  从表1可以看出受黏度影响最小的是acf型与df.l型浮子,它们测量最大黏性溶液时测量误差分别25.8256%和297902%;平均测量误差分别为135734%和114269%;如果测量黏度在495mpa.s范围的聚合物黏性溶液.2种浮子的测量误差可以控制在5%。对于dfl型浮子,其测量误差只有28234%。而上述acf型与dfl型浮子能够减黏的机理正是在讨论黏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计的减黏作用。
  同时表1也表明,尽管
金属管浮子流量计所测量的高分子聚合物溶液黏性很高,但任意一种形状浮子所构成的浮子流量计在测量零剪切黏度为2692mpa.s范围内的甲基纤维素溶液的测量误差最大不超过37%。浮子流量计在测量聚合物溶液过程中的黏度不敏感性来源于假塑性聚合物溶液的剪切稀化现象和浮子流量计特有的工作原理,即当流体流经浮子与锥管之间的狭小空间时,强烈的剪切使假塑性流体溶液中的粒子发生定向、伸展变形或分散等运动,使流动阻力减少,从而使浮子流量计在测量聚合物黏性溶液流量时受到了较小的黏性影响;同时也说明采用优化浮子结构来减小黏性流体对浮子流量计测量影响的方法是可行的。
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