原油流變學-第三章-流變性測量基礎(chǔ)

1、第三章 流變性測量基礎(chǔ),§3.1 概述一、流變測量的分類具有復雜流變性的物料，在外力作用下，力學響應隨形變（流動）方式和形變（流動）歷史而異。從嚴格意義上講，流變測量是選擇簡單流動方式來測定在特定歷史下流體的物料函數(shù)，即應力、應變、應變速率及粘度、模量等流變響應特性。簡單流動中，流體運動的描述有三個主要方向，即流動方向、速度梯度方向和中性方向。在剪切流動中，這三個方向是相互垂直的，在拉伸流動中，流動方向與速度梯度方向

2、平行。因此，按流動方向與速度梯度方向的關(guān)系，流動可分為剪切流動和拉伸流動。剪切流動按照其流動的邊界條件可進一步分為拖動流動和壓力流動。拖動流動是由運動邊界所造成的流動，而壓力流動是邊界靜止，由壓力梯度產(chǎn)生的流動。,,,,按形變歷史，即流動速度隨時間的變化特點，流動又可分為穩(wěn)態(tài)流動，即形變速率不隨時間改變的流動；瞬態(tài)流動，即應力或應變發(fā)生階躍變化的流動；以及動態(tài)流動，即流體經(jīng)受交變的應力和應變，通常是小振幅正弦振動的流動。 穩(wěn)態(tài)剪切流動

3、是純粘性流體流變性測量中最常用的流動，具有如下特點：在穩(wěn)態(tài)簡單剪切流動中，液層剛性地平移，其中任意兩液層微元之間的距離保持不變。液層是物質(zhì)面，常稱剪切面；每個液體微元在流動中保持體積不變；對穩(wěn)態(tài)剪切流動，剪切線實際上是液體微元運動的軌跡。,二、流變測量的任務與內(nèi)容流變測量的任務包括理論研究和實驗技術(shù)兩個方面。理論研究主要是建立在各種邊界條件下的直接測量值（壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、流量等）與不能直接測量的物料流變響應（應力、應變、應變速

4、率等）的關(guān)系，分析各種流變測量試驗的含義及其引入的誤差。實驗技術(shù)方面主要是在很寬的測量范圍內(nèi)，實現(xiàn)從稀溶液到固體等不同狀態(tài)體系的測定，并使所測量的量盡可能準確反映物料本身的流變性和工程應用條件，這就要求研制出測量范圍廣、功能多、精確度高的流變儀。對一個具體的流變測量，其總的測量過程可歸納為：（1）設(shè)計或選用適合工程或工藝要求的流變儀，建立物料的流變響應與測量系統(tǒng)的關(guān)系，即尋求流變儀的測量原理；（2）提供反映工程或工藝性質(zhì)的流變測量方法

5、；（3）尋找物料的流變方程，發(fā)展和檢驗本構(gòu)方程。,一、細管法測粘的原理 假定細管能滿足下述條件： （1）細管十分長，并呈直線狀，且內(nèi)徑均等；（2）流體的流動狀態(tài)為充分發(fā)展的穩(wěn)定的層流，流體內(nèi)任 一點的流速僅是其半徑r的函數(shù)；（3）流體是不可壓縮的均質(zhì)流體；（4）與細管內(nèi)壁相接觸的流體沒有滑移；（5）流體流變性質(zhì)與時間無關(guān)，其剪切應力與剪切率之間 存在一一對應的關(guān)系；（6）流體是等溫的

6、。,§3.2 細管法測定流變性,,如圖3.1所示的穩(wěn)態(tài)管流，當流體流速限定時，流體沿管道產(chǎn)生層層流動，此時剪切面為同心圓柱面，剪切線為平行于管軸的直線。,圖 3.1,,流體微元的運動跡線與剪切線重合。隨半徑r的增加，流體微元運動的速度減小，因此管流的剪切率表示為：,,（3-1）,在柱坐標中，速度分布可表示為：,,圖 3-2,,,,如圖3-2所示的細管段，長為L，半徑為R，兩端壓差為ΔP。在以管軸心線為中心，半徑為r的圓柱體上，

7、存在著兩個方向相反的力：,,,圖 3-3,二、細管法測定非牛頓流體流變性原理1。管流基本方程,,圖 3-4,另外，由前面推導的式（3-4）得：,,,圖3-5,4. 用普適值方法測定流變性流體在細管中流動時，在不同半r徑處，其流速u、剪切速率 、剪切應力 都不同，它們都是半徑r的函數(shù)。而非牛頓流體的u、和 在管中的分布與牛頓流體也不同，即流場不同。冪律流體在圓管中的流速分布公式為,,,,,由

8、 計算出圓管中剪切速率的分布公式當流變指數(shù)n＝1時，上述公式變?yōu)榕ｎD流體的公式，即在Q、R一定的條件下，令上述兩式相等，可得到,,,,,計算表明，在0.3≤n＜∝的較廣范圍內(nèi)，有,其誤差變化在5％以內(nèi)，而n值很小的流體并不多見，另外許多非牛頓流體均可按局部冪律流體的方法處理，因此，可以說，在圓管中的 r=πR/4 處， 非牛頓流體的剪切速率與牛頓流體的相同，而與流體的非牛頓性質(zhì)無關(guān)。這一特點對諸多非牛頓流體具有普遍

9、適應性。 r=πR/4處的剪切應力 和剪切速率 稱為普適剪切應力和普適剪切速率。根據(jù)上述特點，在進行非牛頓流體流變性測量時，首先測定?p和相應的Q ，按照牛頓流體特點計算出r=πR/4處的 和 。,,,剪切應力在圓管中隨半徑線性分布，因此 牛頓流體的剪切速率隨半徑也是線性分布的，并且前面已知牛頓流體在管壁處的剪切速率為 那么 對非

10、牛頓流體來說，與 對應的剪切速率 就是其真實剪切速率，因此可根據(jù) ～ 變化關(guān)系，作流變曲線，求流變方程。,,,,一般管式流變儀或管路模型由五個基本部分組成：（1）盛實驗流體的容器；（2）已知管徑與管長的實驗管段；（3）壓力調(diào)節(jié)與測量系統(tǒng)；（4）流量調(diào)節(jié)與測量系統(tǒng)；（5）溫度控制系統(tǒng)。,三、測量誤差分析 前面的分析推導都是在假定的理想實驗條件下進行的，實際測量中有許多條件

11、偏離理想情況，從而造成測量誤差。嚴格地講，影響測量誤差的因素不少，但流變儀的類型不同、流體的粘稠程度不同，影響測量結(jié)果的因素不僅相同。另外，不同的測量目的，對測量誤差的容許程度也不同。有些造成測量誤差的因素是不可避免的，但可以通過適當?shù)膶嶒灱夹g(shù)和修正方法將誤差減小到實驗結(jié)果精度允許的程度。下面介紹一些常見的（或主要的）影響測量誤差的因素及修正辦法。1、紊流流動 根據(jù)前面的假定條件，流變測量要求流體在實驗管道中嚴格處于穩(wěn)定層流狀

12、態(tài)。這一實驗條件可由雷諾數(shù) 來判斷。,,,2、測量管段的幾何尺寸誤差理想的實驗條件要求測量管段直且管徑處處相等，否則造成測量誤差。,,圖 3-6,3、動能修正對短管式流變儀，當流體從毛細管高速地直接排向大氣時，流體攜帶可觀的動能，在一定的操作條件下，這部分動能占施加總壓力的相當大比例，對此應當加以修正。毛細管內(nèi)流動液體的動能相當?shù)膲翰睿磩幽苄拚膲翰钪禐椋?,（3-51）,式中，m——動能修正系數(shù)。m決定于管內(nèi)部的流速

13、分布，具有拋物線速度分布的牛頓流體層流狀態(tài)，其m=1；,,（3-52）,可見，當n1時，m>1；當n→∞時，m=1.35。,而對冪律流體：,,,即,（3-53）,,,,,動能修正一般對低粘流體高速流動的情況比較重要，如低粘牛頓流體的粘度測定。對高粘流體，動能修正幾乎不起什么作用，因為動能修正與總壓差相比很小。對非牛頓流體，一般把動能修正綜合考慮在端部效應中。,考慮了動能修正后，牛頓流體的粘度為：,4、端部效應在管式流變儀中，儲罐

14、內(nèi)的液體以收斂型的流場進入測量管段入口，而在測量管段的出口又以擴張型的流場排出，在這些收斂與擴張的流場中，相鄰流線間的任何速度差異都將消耗能量來克服流體的粘滯力。而管式流變儀測量的前提條件是要求流線與管軸線平行。這種由于測量管段進出口流線的收縮與擴張造成額外壓力損失的現(xiàn)象稱為端部效應。對于純粘性流體，常用細管入口長度L0定量描述這種現(xiàn)象。L0定義為從入口到管中心流速達到充分發(fā)展流動時流速的99%截面間的距離。對牛頓流體層流，入口長度為

15、L0=0.0575DRe。在模型管路中，應避免在入口長度內(nèi)設(shè)置取壓點。,但由于入口和出口處速度分布非常復雜，常用于計算L0的模型并不完善，特別是對非牛頓流體。在管式流變儀中，人們常用端部修正的方法，使端部效應造成的這部分壓力損失用等效的管子修正長度βD（β為修正數(shù)）來表示。這樣毛細管的計算長度將為（L+βD），其中L為幾何長度。對牛頓流體，考慮到動能修正和端部修正后，哈根-泊肅葉方程變成：,,（3-54）,,修正長度可用內(nèi)徑相同而長度不

16、同的幾支細管做實驗求得，方法如下：,圖 3-7,,然后，由圖3-7作出不同流量下的～關(guān)系曲線，一般為直線，如圖3-8所示。,圖 3-8,端部修正長度的確定盡管可行，但實驗工作量較大。如果使用較大長徑比的毛細管，以致端部效應與毛細管內(nèi)流動的壓降相比可以忽略不計，就可以不進行端部效應的修正。有文獻報道，當L/D>100時，即可忽略端部效應的影響。但對粘彈性較強的高聚物流體，即使在較大的L/D下，其端部效應的影響仍然很大。,5、壁面

17、滑移在細管測粘原理中，曾假定流體在管內(nèi)壁上沒有滑移，即緊貼壁面的流體流速為零。人們在懸浮液等分散體系進行流變測試中，發(fā)現(xiàn)流體在壁面有滑移現(xiàn)象?；飘a(chǎn)生的機理目前仍處在研究中，有人把它分為三類：（1）在壁面有一低粘的潤滑液層；（2）由于聚合物分子或伸長的粒子在管壁附近的定向排列，改善了管壁附近的流動狀態(tài)；（3）由于受到不均勻剪切，分散粒子向管中心方向遷移，而在管壁處形成僅有連續(xù)相，而幾乎不存在分散相的滑移層。,一般認為，在凝膠、濃懸浮液