圆环流动装置测量流体流变特性的方法制造方法及图纸

本发明专利技术对圆环流动装置测量流体流变特性提供新的方法，其特别适用于石油的流变特性的测量。由计算机直接记录下半部装有液体的圆环转动时，圆环壁面上压力传感器测量到的沿周压力变化曲线，提高判别圆环上特征点位置的分辨率，从而提高测量流体流变特性的精度；或者利用测定摩擦扭矩的数值，从沿周压力变化曲线中正确地确定流体剩储长度，从而提高测量流体的流变特性精度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术对圆环流动装置测量流体流变特性提供新的方法，其特别适用于石油的流变特性的测量。测量流体流动的流变特性有多种多样的方法。最通用的是毛细管粘度计，但它不易测量到流体的触变性；另一种方法是利用各种旋转粘度计，它可以测量流体的触变性，但流体运动的状态与通常管道的流动有区别。为此，近年来利用流体(石油)在环中的流动来测量其流变特性。环管循环流动观测装置是1998年研制的。在水平圆环管道内安装一个驱动塞，通过环管外的磁铁带动管内的驱动塞，使流体在管内循环流动。整个环管置于控温的水槽内，并通过安装在管壁上的传感器来获取温度和不同驱动速度下压力随时间变化的数据，确定流体的流变参数。转轮流动模拟器是在1998年从国外引进的。该装置由轮形钢管、转轮驱动单元、控制室、控温测试室、加热制冷系统等组成。转轮垂直安装，在转轮转动过程中，轮管内的流体可在重力的作用下仍留在底部。由于轮管内壁和液体之间存在摩擦力，轮内液体的重心偏向转轮转动方向，当轮内液体偏心达到一定程度时，重力和摩擦力达到平衡。为维持转轮的转速恒定，需要外界提供给转轮一定的扭矩来平衡轮内液体与轮管内壁面间摩擦力产生的摩擦扭矩。通过测定摩擦扭矩，计算出轮内液体相对流动摩阻因子，再根据磨擦因子计算出流动时的原油表观粘度。上述两种不同的圆环管道流变测量装置尽管是一种创新，但各自也有其不足。第一种环管，若驱动塞太大，则容易磨损；太小，则管道与驱动塞的缝隙中会产生回流。驱动塞的存在也影响流场的速度分布，这将对流变特性测定结果产生影响。用于驱动的强磁场可能会对某些非牛顿流体的流变特性产生影响等等。第二种环管，转轮转动后，流体会粘附在轮管内壁，而且流体的粘附量除了与转轮速度有关，还与流体粘度有关。这就使液体在圆环内的长度(既管内全部充满流体的长度)缩短了不少，致使计算磨擦阻力产生很大误差。可惜这种装置没有把这一不足加以克服(因为装置管壁的不透明性一即使管壁透明，有些流体如石油粘附管壁后也使管内全部充满流体的长度不可见)，这样对测量石油流变特性会产生很大误差。本专利技术的目的在于提供一种，用这种测量方法来测量流体、特别是石油的流变特性，具有简单、快速和精度高的优点。本专利技术的进行方案为一种，其特征在于，其中包括下列步骤1.制作不同的直径D0＝2R0、圆管内径d0＝2r0的金属或塑料圆环；2.圆环壁面在平均半径R0处，按流体力学要求安装压力传感器；3.将圆环装置置于可控恒温小室中，在圆环壁面安装温度传感器，以测量实验时圆环内流体的温度；4.圆环转动由无级变速装置控制转速；5.注入被测流体于圆环下半部；由R0α0＝ab＝ef，得α0＝ab/R0＝ef/R0；6.恒温小室一段时间后，选择所需要的温度和转速；启动电动机带动圆环内流体运动，记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线；7.由圆环圆周和实测沿周压力变化曲线，得到两者的比例系数k2πR0＝k(l3＋l4＋l5)＝k(c′d′＋d′g′＋g′c′)，8.由于圆环最低点d是对应压力峰值点d′，离d点和圆环周长的1/4，可以由压力曲线对应关系，由a′和f′点找到a和f点；前液面c点，于实测沿周压力变化曲线上c′对应；这样可以得到前液面角βf＝π/2－α0－cd/P0＝π/2－α0－k(c′d′/R0)；如果正好注入半圆环液体，βf＝π/2－cd/P0＝π/2－k(c′d′/R0)；9.后液面g点，与实测沿周压力变化曲线g′对应，后液面角βr＝dg/R0－π/2＋α0＝k(d′g′/R0)－π/2＋α0；如果正好注入半圆环液体βr＝k(d′g′/R0)-π/2；10.通过h的两个公式，可以得到流体的流变特性；壁面剪应力按定义为τs=μ∂u∂r|r=r0]]>对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面u＝u(r)；动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上流体的摩擦阻力平衡hπγ02ρg=τs(L3+L4)2πγ0]]>或者τs=hγ0ρg2(L3+L4)]]>其中r0为圆环管内半径，ρ为流体密度，g为重力加速度；通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理；∂u∂r|r=r0=3n'+1n'umaxr0]]>式中n′为流体特征参数；n′由τs～4umax/r0双对数坐标曲线图解出；则非牛顿流体的表观粘度有μ=τsdudr|r=r0]]>特别地，对于牛顿流体层流流动粘度有公式11.通过扭矩M测量，也可以得到流体的流变特性；由充液圆环转动时的扭矩M减去相同转速下无液空环转动时扭矩M0和液体与圆环管内摩擦力产生的磨擦扭矩相平衡由实测压力曲线可得c′d′＋d′g′，τs由流体流动流态不同有不同表示。 则τs=M-M02πr0(cd+dg)R0=M-M02πr0(c'd'+d'g')kR0]]>对于非牛顿流体∂u∂r|r=r0]]>同样可以由10得到；则μ=τs∂u∂r|r=r0]]>特别地，对于层流流动τs=μ∂u∂r|r=r0=μ4r0]]>流体的粘度 12.引进范宁摩擦因fF和圆环内流体填充系数ψτs=12fFpumax2]]>摩擦扭矩有M-M0=4τsπ2r04R02ψ]]>则摩擦因子为fF=M-M02π2rR02ψpumax2]]>当流动为层流时，摩擦因子为fF=16Re=32μr0pumax]]>Re为雷诺数，则粘度为μ=M-M016π2R02umacψ]]>从而我们能够得到圆环内液体填充系数ψ的准确值。其中步骤5中所说的比例系数K为k＝2πR0/(l3＋l4＋l5)＝2πR0/(c′d′＋d′g′＋g′c′)。其中步骤10中所说的流体特征参数n′，其公式为n'=dlnτsdln4umaxr0]]>其中步骤10所说的流动粘度公式μ=R0Sin(βr-α0)+R0Sin(βf+α0)15ρgr0w4π2R02ω0(ππ-βf+βr-2α0)]]>其中步骤12所说的填充系数ψ的公式为ψ=L3+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中包括下列步骤：（１）．制作不同的直径Ｄ↓［０］＝２Ｒ↓［０］、圆管内径ｄ↓［０］＝２ｒ↓［０］的金属或塑料圆环；（２）．圆环壁面在平均半径Ｒ↓［０］处，按流体力学要求安装压力 传感器；（３）．将圆环装置置于可控恒温小室中，在圆环壁面安装温度传感器，以测量实验时圆环内流体的温度；（４）．圆环转动由无级变速装置控制转速；（５）．注入被测流体于圆环下半部；由Ｒ↓［０］α↓［０］＝ａｂ＝ｅｆ，得α↓［０］＝ａ ｂ／Ｒ↓［０］＝ｅｆ／Ｒ↓［０］；（６）．恒温小室一段时间后，选择所需要的温度和转速；启动电动机带动圆环内流体运动，记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线；（７）．由圆环圆周和实测沿周压力变化曲线，得到两者的比例系数ｋ： ２πＲ↓［０］＝ｋ（ｌ↓［３］＋ｌ↓［４］＋ｌ↓［５］）＝ｋ（ｃ′ｄ′＋ｄ′ｇ′＋ｇ′ｃ′），（８）．由于圆环最低点ｄ是对应压力峰值点ｄ′，离ｄ点和圆环周长的１／４，可以由压力曲线对应关系，由ａ′和ｆ′点找到ａ和ｆ点；前液面ｃ点，于实测 沿周压力变化曲线上ｃ′对应；这样可以得到前液面角β↓［ｆ］＝π／２－α↓［０］－ｃｄ／Ｒ↓［０］＝π／２－α↓［０］－ｋ（ｃ′ｄ′／Ｒ↓［０］）；如果正好注入半圆环液体，β↓［ｆ］＝π／２－ｃｄ／Ｒ↓［０］＝π／２－ｋ（ｃ′ｄ′／Ｒ↓［０］）；（９）．后液面ｇ点，与实测沿周压力变化曲线ｇ′对应，后液面角β↓［ｒ］＝ｄｇ／Ｒ↓［０］－π／２＋α↓［０］＝ｋ（ｄ′ｇ′／Ｒ↓［０］）－π／２＋α↓［０］；如果正好注入半圆环液体β↓［ｒ］＝ｋ（ｄ′ｇ′／Ｒ↓［０］）－π／２； （１０）．通过ｈ的两个公式，可以得到流体的流变特性；壁面剪应力按定义为：＊＊＊对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面ｕ＝ｕ（ｒ）；动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上流体的摩擦阻力平衡：ｈπｒ↓［０］↑［２ ］ρｇ＝τ↓［ｓ］（Ｌ↓［３］＋Ｌ↓［４］）２πｒ↓［０］或者τ↓［ｓ］＝ｈｒ↓［０］ρｇ／２（Ｌ↓［３］＋Ｌ↓［４］）其中：ｒ↓［０］为圆环管内半径，ρ为流体密度，ｇ为重力加速度；通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时 间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理；＊＊＊式中ｎ′为流体特征参数；ｎ′由τ↓［ｓ］～４ｕ↓［ｍａｘ］／ｒ↓［０］双对...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：钱民全，张劲军，范椿，张帆，赵笃凤，彭荣蕤，钱大兴，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，石油大学北京，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]