為了檢驗高分子聚合物黏性溶液對不同密度材質的浮子所構成的金屬管浮子流量計流量測量的影響,本實驗分別制造了鋁和不銹鋼2種材料的CF__C和DF__C型浮子,同時保證不同材料的浮子具有相同的尺寸和表面光潔度。根據式(3)得到鋁質與不銹鋼質浮子所構成的浮子流量計測量黏性溶液流量的測量誤差對比,如圖5和圖6所示。
從圖5和圖6可以看出,黏性流體對流體測量的影響是不可忽視的,其中最大黏度測量誤差接近于16%,最小測量誤差也在2%左右。在鋁質與不銹鋼質浮子所構成的浮子流量計測量聚合物黏性溶液的測量誤差比較圖中,可以很清楚地看出鋁制浮子所構成的浮子流量計的測量誤差要遠遠的高于同體積的不銹鋼質浮子構成的浮子流量計,特別是DF__C型的對比更明顯,這表明流體黏性對測量結果的影響與浮子密度有密切的關系,同一體積下,浮子密度越大,質量越大，黏性力對浮子流量計測量性能的影響越小。
黏性溶液對不同形狀浮子所構成的浮子流量計測量的影響
比較圖5與圖6還可以發現,在使用同一種材質但不同形狀的浮子時,金屬管浮子流量計受到的黏性影響也不同,這說明改變浮子的形狀也可以減小黏性對浮子的影響,所以本實驗進一步測試了黏性溶液對5種不同形狀的不銹鋼質浮子所構成的浮子流量計的影響,實驗中測試了6組高黏度的甲基纖維素溶液,它們的零剪切黏度分別137MPa·s495MPa·s~1215MPa.s~1692MPa.s.1962MPa·s和2692MPa·s,根據實驗測量結果可以獲得各種形狀的浮子所構成浮子流量計的黏度修正曲線,如圖7~11所示,浮子流量計的鉆性修正曲線反映了當浮子在錐管中保持一定流向高度時，所通過的不同黏度流體的流量變化曲線。
圖7~11中可以看出黏度修正曲線隨黏度變化的基本規律,即浮子流量計在測量黏度大于水的黏性溶液時，保持錐管中浮子在一定高度,流量計所測黏性溶液的實際流量要小于水的實際流量,而且隨著黏度的增加.修正曲線中流量值繼續變小。從流體力學角度出發,一般把物體在黏性流體中運動所受的阻力分為摩擦阻力和壓差阻力,前者是表面切應力的貢獻,后者則為表面壓強的作用,表面切應力與表面壓強的大小都與黏性有關,由于浮子受到向上的升力就是摩擦力與壓差的合力,一般情況下,流體介質黏性越大,浮子受到的流向黏性力就越大,所以隨著流體黏性的增加,浮子平衡在一定高度所需要的流量就越小。
從圖7~11中可以發現,在ACF型與DFL型浮子流量計的黏度修正曲線中,流量值并非隨著黏度增加而單調減小，修正曲線在零剪切黏度小于500MPa，s區間出現抬升現象,顯示出低于水溶液黏度的低黏流體黏度修正曲線特征。
根據邊界層理論,無論是層流還是湍流,由于黏性而使物面邊界產生邊界層(渦層).當黏性流體流過浮子最.大截面后突然流動“分離”。這樣產生的分離層迅速形成1個或多個渦,這樣的渦可以滯留在物體后部。也就是說.流體流經浮子與管壁之間的環隙時.環隙速度增大，流體在截面內均勻分布,當截面沿流動方向突然增大的時候,由于分離形成了滯留在浮子最大截面后部渦流區,從而形成逆流,使浮子整體表面所受到的黏性摩擦力在流動方向減小,甚至與浮子上升方向相反，這樣就減小了黏性摩擦力的作用,部分抵消了流體黏性作用于流向方向的壓差阻力.對于ACF型和DF._L型浮子來說.ACF型浮子具有特別鋒利的邊緣和靠前的分離點,流體流過最大截面后。在浮子后部出現劇烈的旋渦,故反向于流向的黏性力很顯著:而DF.L型雖然較ACF型分離點靠后,但其后部處在渦流區的浮子表面積要大于ACF型.浮子的表面積(DF.L型為圓柱,而ACF型為圓臺).所以其在旋渦區所受反向黏性摩擦合力并不比ACF的小,故在2種類型的浮子修正曲線中,出現了在較低黏度區域的曲線抬高現象。分析ACF型、DF.L型浮子流量計測量黏度大于500MPa.:以上的黏性溶液所得黏性曲線以及其他3種類型浮子的黏性曲線,雖然在渦旋區內的:淳子摩擦阻力有減小黏性影響的效果。但浮子上下表面受黏性介質影響的壓差阻力比摩擦阻力更顯著，即摩擦阻力與壓差阻力的流向合力還是隨黏性的增加而增大;同時由于黏性增大.在同樣的入口流量下.雷諾數減小。弱化了經過分離點形成的旋渦.旋渦作用于浮子表面且反向于流向的黏性摩擦力減小,所以在大于500MPa.s的高黏度范圍,浮子流量計黏性修正曲線中的流量隨著黏度的增加而單調減小.
根據測量結果得到上述各種類型浮子所構成的流量計測量不同黏度溶液時的測量誤差,如表1所示.
從表1可以看出受黏度影響最小的是ACF型與DF.L型浮子,它們測量最大黏性溶液時測量誤差分別25.8256%和297902%;平均測量誤差分別為135734%和114269%;如果測量黏度在495MPa.s范圍的聚合物黏性溶液.2種浮子的測量誤差可以控制在5%。對于DFL型浮子,其測量誤差只有28234%。而上述ACF型與DFL型浮子能夠減黏的機理正是在討論黏性修正曲線出現抬升現象時所給出的分析,兩方面的數據都驗證了渦旋對浮子流量計的減黏作用。
同時表1也表明,盡管金屬管浮子流量計所測量的高分子聚合物溶液黏性很高,但任意一種形狀浮子所構成的浮子流量計在測量零剪切黏度為2692MPa.s范圍內的甲基纖維素溶液的測量誤差最大不超過37%。浮子流量計在測量聚合物溶液過程中的黏度不敏感性來源于假塑性聚合物溶液的剪切稀化現象和浮子流量計特有的工作原理,即當流體流經浮子與錐管之間的狹小空間時,強烈的剪切使假塑性流體溶液中的粒子發生定向、伸展變形或分散等運動,使流動阻力減少,從而使浮子流量計在測量聚合物黏性溶液流量時受到了較小的黏性影響;同時也說明采用優化浮子結構來減小黏性流體對浮子流量計測量影響的方法是可行的。 |
