一种测量幂律流体流动参数的便携装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量幂律流体流动参数的便携装置和方法；该装置在微通道的两端设置两个幂律流体的储存箱，每一个储存箱内设置有一个电极；通过在两电极间施加电压使微通道内形成轴向电场，进而驱动幂律流体在微通道内产生电渗流动；通过调节通道两端电压，改变微通道内的轴向电场强度，从而导致微通道内幂律流体的体积流量发生变化；通过测量两次不同电压值下幂律流体的体积流量，并依据电压、流量与流动参数之间的依赖关系，最终确定幂律流体的稠度系数和流性指数；该装置不涉及机械转动部件，机械损坏少，实现小型化和便携化，所需测试样品量减小；由于流动驱动和流量测量均使用电信号，该装置数据的采集及处理非常便利，便于实现自动化测量。

A portable device and method for measuring flow parameters of power law fluid

【技术实现步骤摘要】
一种测量幂律流体流动参数的便携装置和方法
本专利技术属于物性参数测量领域，具体涉及一种测量幂律流体流动参数的便携装置和方法。
技术介绍
非牛顿流体在人类生产生活和大自然中发挥着重要功能，因此，认识非牛顿流体的基本特性极其重要，会对生产生活的进步产生极大的促进作用。非牛顿流体的特性与牛顿流体不同，会随着流动状态的变化而发生改变，这种复杂性使得如何快速、准确测量非牛顿流体的流动参数成了一个难题。绝大多数非牛顿流体可看作幂律流体，所以如何确定幂律流体的流动参数，即稠度系数和流性指数，成为确定非牛顿流体流动特性的关键。因此，幂律流体稠度系数和流性指数的准确测量有着极其重要的意义。现有的幂律流体流动参数测量方法包括细管法和旋转法。细管法以高压气体产生压差驱动幂律流体在细管内流动，所得流量是压差和流动参数的函数，依据相应的函数关系通过测量流量推算出幂律流体的流动参数；此系统需要高压气源，实验系统复杂，成本高。旋转法通过测量扭转力矩，再依据该力矩与幂律流体流动参数的函数关系确定流动参数；该方法存在机械转动部件，稳定性较差。另外，基于以上两种方法的测量装置体积较大，不便移动，无法进行即时即地测量非牛顿流体流动特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种测量幂律流体流动参数的便携装置和方法；该专利技术基于电渗流原理，不存在机械运动部件，易于控制，测量系统简单，测量精度高。另外，新装置中通道尺寸为微米级别，可以实现微型化，具有试样消耗量小和便携等优点。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种测量幂律流体流动参数的便携装置，其特征在于，包括微通道，微通道的两端分别连接有第一储存箱和第二储存箱，所述第一储存箱和第二储存箱内均存储有幂律流体；第一储存箱内设置有正电极，第二储存箱内设置有负电极；负电极和正电极之间的电压由电压控制和数据处理系统调节；第二储存箱连接有体积流量测量装置。本专利技术的进一步改进在于：优选的，所述体积流量测量装置、负电极和正电极分别和电压控制和数据处理系统连接；所述电压控制和数据处理系统用于控制两个电极间的电压、记录体积流量、计算并显示流动参数。一种测量幂律流体流动参数的方法，所述流动参数为幂律流体的稠度系数m和流性指数n，流动参数的计算过程包括以下步骤：(1)、计算幂律流体电渗流的亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基速度us，计算公式为：式中，u(y)为y方向上幂律流体的电渗流速度分布，ε为微通道内幂律流体的介电常数，ψw为微通道壁面的动电电位，E为微通道内y方向上的电场强度，κ为德拜参数，其计算公式为：e为微通道内电子所带电量的绝对值，n∞为微通道内主流区域幂律流体中的离子浓度，z为微通道内幂律流体中离子的价态，T为幂律流体的开尔文温度，kB为玻尔兹曼常数；(2)、微通道的半径为微米级，双电层的特征厚度为纳米级，因此微通道半径远远大于双电层的厚度；根据微通道内幂律流体的速度分布，微通道的截面平均速度幂律流体体积流量Q为：Q＝usA(13)式中，A为微通道的横截面积；结合式(12)，式(13)可进一步表示为：改变施加在微通道两端的电压，测量相应的体积流量，得到：(3)、通过式(15)和(16)，及E＝U/l，Q＝V/t，确定流动参数的计算公式如下所示：式中，U1和U2是确定一组流动参数时两次施加在微通道两端的不同电压；E1和E2是相对应的电场强度；V1和V2是两次不同电压下在相同的时间间隔t内，体积流量测量装置所收集到幂律流体的体积；l为微通道的长度；Q1与Q2是两次不同电压下的体积流量。优选的，步骤(1)中，微通道在y方向上幂律流体的电渗流速度分布u(y)通过对柯西动量方程积分获得，如下所示：优选的，柯西动量方程为：式(8)的边界条件为：u|y＝0＝0(10)式中，ρe为微通道的双电层内的电荷密度；结合式(9)和(10)，对式(8)进行积分可得式(11)。优选的，微通道的双电层内的电荷密度ρe的计算公式为：式中，e为电子所带电量的绝对值，n∞为微通道内主流区域幂律流体中的离子浓度，z是为微通道内幂律流体中离子的价态，ψ为微通道双电层中的电势分布，T为幂律流体的开尔文温度，kB为玻尔兹曼常数。优选的，微通道的双电层中电势ψ的计算公式为：ψ＝ψwe-κy(5)。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种测量幂律流体流动参数的便携装置，该装置在微通道的两端设置两个幂律流体的储存箱，每一个储存箱内设置有一个电极。利用施加于两电极的电压驱动幂律流体在微通道内产生电渗流动；调节通道两端电压改变微通道内电场强度，进而影响通道内幂律流体的体积流量；体积流量测量装置测量在一定时间段内幂律流体的体积，并计算其体积流量；通过所得到微通道内幂律流体的体积流量数据、电压数据及微通道的相关参数，计算出幂律流体的两个重要流动参数，即稠度系数和流性指数。该装置体积小，便携性好，样品消耗量小；无机械运动部件，故障率小，稳定性好；另外，流动驱动和流量测量均使用电信号，其控制、采集、处理非常便利，便于实现自动化测量。进一步的，在测量系统末端设置一个体积流量测量装置，该装置通过收集一定时间内幂律流体的体积，计算微通道内的体积流量；此方法在保障装置测量精度的同时，具有较低的成本。电极和体积流量测量装置连接有电压控制和数据处理系统，使得操作人员能够方便地调节电压改变体积流量、记录体积流量数据、观察流动参数。本专利技术还公开了一种测量幂律流体流动参数的方法，公开的幂律流体流动参数的测量方法基于电渗流原理，通过改变电压便可以方便确定幂律流体的两个重要流动参数，即稠度系数和流性指数；该方法只需测量幂律流体的流量和微通道两端的电压，而这两个量的测量精度较高，进而幂律流体流动参数的测量精度也比较高。除体积流量和电压外，其余参数对于给定的流体和通道都是已知的常数，包括通道横截面积A、德拜参数κ、通道长度l、壁面动电电位ψw、幂律流体的介电常数ε，其数值可用其他仪器测量或相关理论计算获得。【附图说明】图1为本专利技术基于电渗流原理测量幂律流体流动参数的装置示意图；图2为不同电压下微通道内幂律流体体积流量与幂律流体流性指数的依赖关系。其中：1-第一储存箱；2-电压控制和数据处理系统；3-微通道；4-第二储存箱；5-体积流量测量装置；6-负电极；7-微通道壁面；8-正电极；9-双电层。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述，本专利技术公开了一种测量幂律流体流动参数的装置和方法。参见图1，该装置包括两个幂律流体第一储存箱1和第二储存箱4，这两个储存箱由微通道3连通，第一储存箱1和第二储存箱4相较于微通道足够大，从而可以起到稳定微通道3内流体流动的作用；微通道3内的幂律流体与微通道壁面7接触后导致的物理化学作用使微通道壁面7带电，从而在靠近微通道壁面7的幂律流体内形成双电层9；微通道入口处的第一储存箱1内放置正电极8，微通道出口处的第二储存箱4内放置负电极6；通过给正电极8和负电极6之间施加电压，产生一个沿微通道3轴向的均匀电场；双电层内的幂律流体由于带电而受到该电场的作用而发生流动，这些运动的幂律流体进一步通过粘性作用带动双电层外主流区域内幂律流体流动，产生电渗流；电渗流会相应的改变幂律流体的体积流量；体积流量测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量幂律流体流动参数的便携装置，其特征在于，包括微通道(3)，微通道(3)的两端分别连接有第一储存箱(1)和第二储存箱(4)，所述第一储存箱(1)和第二储存箱(4)内均存储有幂律流体；第一储存箱(1)内设置有正电极(8)，第二储存箱(4)内设置有负电极(6)；负电极(6)和正电极(8)之间的电压由电压控制和数据处理系统(2)调节；第二储存箱(4)连接有体积流量测量装置(5)。

【技术特征摘要】
1.一种测量幂律流体流动参数的便携装置，其特征在于，包括微通道(3)，微通道(3)的两端分别连接有第一储存箱(1)和第二储存箱(4)，所述第一储存箱(1)和第二储存箱(4)内均存储有幂律流体；第一储存箱(1)内设置有正电极(8)，第二储存箱(4)内设置有负电极(6)；负电极(6)和正电极(8)之间的电压由电压控制和数据处理系统(2)调节；第二储存箱(4)连接有体积流量测量装置(5)。2.根据权利要求1所述的一种测量幂律流体流动参数的便携装置，其特征在于，所述体积流量测量装置(5)、负电极(6)和正电极(8)分别和电压控制和数据处理系统(2)连接；所述电压控制和数据处理系统(2)用于控制两个电极间的电压、记录体积流量、计算并显示流动参数。3.一种测量幂律流体流动参数的方法，其特征在于，所述流动参数为幂律流体的稠度系数m和流性指数n，流动参数的计算过程包括以下步骤：(1)、计算幂律流体电渗流的亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基速度us，计算公式为：式中，u(y)为y方向上幂律流体的电渗流速度分布，ε为微通道(3)内幂律流体的介电常数，ψw为微通道壁面(7)的动电电位，E为微通道(3)内y方向上的电场强度，κ为德拜参数，其计算公式为：e为微通道(3)内电子所带电量的绝对值，n∞为微通道(3)内主流区域幂律流体中的离子浓度，z为微通道(3)内幂律流体中离子的价态，T为幂律流体的开尔文温度，kB为玻尔兹曼常数；(2)、微通道(3)的半径为微米级，双电层的特征厚度为纳米级，因此微通道(3)半径远远大于双电层(9)的厚度；根据微通道(3)内幂律流体的速度分布，微通道(3)的截面平均速度幂律流体体积流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵存陆，黄灯，钱芳，王秋旺，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61