（流体机械及工程专业论文）真实黏度流变仪收缩流道速度场的piv实验研究及分析.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q 3 2 0 1 学科分类号4 7 0 3 0 3 0 论文编号 10 0 1 0 2 0 1 1 0 6 0 6 密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名王海军 学 号2 0 0 8 0 0 0 6 0 6 获学位专业名称流体机械及工程 获学位专业代码 0 8 0 7 0 4 课题来源 其他项目 研究方向 聚合物成型原理 论文题目 真实黏度流变仪收缩流道速度场的p i v 实验研究及分析 关键词 p i v ( 粒子图像测速) ；收缩流道速度场；牛顿流体；非牛顿流体；真 实黏度模型 论文答辩日期 2 0 l1 5 3 l 奉论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位 学科专长 指导教师刘继红副教授 北京化工大学 聚合物加工与设备 评阅人1 王奎升教授 北京化工大学 化工过程与机械 评阅人2 盲审 答辩委员会主席王奎升 教授北京化工大学 化工过程与机械 答辩委员1江波 教授北京化工大学 橡塑机械与加工 答辩委员2 吴大鸣教授 北京化工大学 聚合物加工与设备 答辩委员3薛平教授 北京化工大学 聚合物加工与设备 答辩委员4杨卫民 教授北京化工大学 聚合物加工与设备 答辩委员5钱才富 教授北京化工大学 化工过程与设备 答辩委员6何立东 教授北京化工大学 化工过程与设备 答辩委员7 周俊良教授 北京化工大学 工业设计 答辩委员8 张亚军教授 北京化工大学 聚合物加工与设备 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) ( 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位纽成。 摘要 真实黏度流变仪收缩流道速度场的p i v 实验研究及分析 摘要 多年以来，流变学和力学对研究剪切流动及其粘度做了大量的工作， 剪切粘度的测量已经发展的比较成熟，但是，在现实的流动中，往往是剪 切和拉伸共存的状态。因此，我们提出了一种涵括了剪切黏度与拉伸黏 度的真实黏度模型和简易真实黏度流变仪实验装置。 真实黏度流变仪收缩流道的速度场对于验证我们真实黏度模型的合 理性起到重要的作用。粒子图像测速( p a n i c l ei m a g ev e l o c i m e t w ，简称p i v ) 技术对测量和研究收缩流道流场速度场提供了有效的手段。 为研究真实黏度流变仪收缩流道速度场分布规律，建立了有机玻璃收 缩流道及实验方案。利用p i v 系统拍摄牛顿流体液态橡胶聚丁二烯及非 牛顿流体食品添加剂溶液在有机玻璃收缩流道流场中粒子的图像，利用 t e c p l o t 、o n g i n 软件对图像和数据分析处理，得到真实黏度流变仪收缩流 道的速度场。同时，对牛顿流体液态橡胶聚丁二烯在收缩流道中速度场进 行有限元软件p o l 、伍l o w 模拟和理论计算，将p i v 实验、p o l y f l o w 仿真、理论计算结果相比较，发现三者规律基本吻合。证明了我们从p i v 实验中得到牛顿流体液态橡胶聚丁二烯及非牛顿流体食品添加剂溶液收 缩流道速度场的方法合理性。 通过对牛顿流体液态橡胶聚丁二烯和非牛顿流体食品添加剂溶液在 真实黏度流变仪收缩流道下速度场、压力、流量等数据的测量及计算得到 仍乃刍户，从而得到在真实黏度模型下牛顿流体液态橡胶聚丁二烯和非牛 l 北京化工大学硕士学位论文 顿流体食品添加剂溶液的壁面剪切黏度和中心轴线拉伸黏度，两个方面同 时表征牛顿流体液态橡胶聚丁二烯和非牛顿流体食品添加剂溶液的黏度 行为。验证了我们提出的聚合物流体材料的真实黏度模型的合理性。 关键词：p i v ( 粒子图像测速) ，收缩流道速度场，牛顿流体，非牛顿流体，真 实黏度模型 l l a s t l l d i e so fs h e a rv i s c o s i t ya n df l o wf o rr h e 0 1 0 9 ya n dm e c h a n i c sh a v eb e e n d o n e m e a s u r e m e n to ft h es h e a rv i s c o s i t yh a sd e v e l o p m e n tf o rm a n yy e a r s t h et e c h n i ci sm a t u i eh o w e v e r ，s h e a rn o wa n de x t e n s i o n a ln o wa r e s y n c h r o n o u s l ye x i s t e n ti na c t u a lf l o w i nv i e wo ft h i s ，ag e n e r a l i z e dv i s c o s i t y m o d e la n d e x p e r i m e n t a l d e v i c eh a v eb e e n p r o p o s e d f o r g e n e r a l i z e d n e w t o n i a nn u i d s w i t ht h i sg e n e r a l i z e dv i s c o s i t ym o d e l ，s h e a rv i s c o s i t ya n d e x t e n s i o n a lv i s c o s i t yc a nb em e a s u r e ds i m u l t a n e o u s l y t h ev e l o c i t yf i e l do fc o n v e r g i n gc h a n n e li nad l e o m e t e rf o rm e a s u r i n g g e n e r a l i z e dv i s c o s i t yo fp 0 1 y m e rm e l t s i s v e 巧i m p o i r t a n tf o rt e s t i 矽t h e r a t i o n a l i t yo fag e n e r a l i z e dv i s c o s i t ym o d e l p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t 巧 p r o v i d e se f f e c t i v em e a n sf o rm e a s u r i n ga n dr e s e a r c ht h ev e l o c i t yf i e l do f c o n v e 玛i n gc h a n n e l i no r d e rt or e s e a r c ho nt h ev e l o c 时f i e l do fc o n v e r g i n gc h a j l n e li na r h e o m e t e rf o rm e a s u r i n gg e n e r a l i z e dv i s c o s i t yo fp o l y m e rm e l t s ，a n e x p e d m e n t a lp r o j e c ta n do 唱a n i c9 1 a s so fc o n v e 唱i n gn o wi nt h er h e o m e t e r w a se s t a b l i s h e d p a r t i c l ei m a g e so fn e w t o n i a n n u i dp o l y b u t a d i e n ea n dn o n - n e w t o n i a n n u i dc m ci nt h en o wf i e l do fc o n v e r g i n gc h a n n e li nt h e l i i r h e o m e t e rw e r es h o tb yp i v s y s t e m t h ev e l o c i t yf i e l do fc o n v e 唱i n gc h a n n e l i nt h er h e o m e t e rc a nb eo b t a i n e dt h r o u g ha n a l y s i so fi m a g ea n dd a t aw i t h t e c p l o ta n do r i g i ns o r w a r e s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep i v e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fn e w t o n i a n - n u i dp o l y b u t a d i e n ea r ei na c c o r d a n c e w i t ht h ep o l y f l o ws i m u l a t i o na n dt h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nd a t a i t p r o v e st h a tt h ew a yt oo b t a i nt h ev e l o c i t yf i e l do fc o n v e 玛i n gc h a n n e lf o r n e w t o n i a n - n u i dp o l y b u t a d i e n ea n dn o n n e w t o n i a n n u i dc m c 舶m t h e p i v e x p e r i m e n ti sf i e a s i b l e w h e nf o u r r h e o l o g i c a lp a r a m e t e r s 仃， f ，磊尹 a r eo b t a i n e d b y m e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o no fn o wr a t ea n dp r e s s u r e d r o po fc o n v e 唱i n g c h a n n e lf o rn e 叭o n i a n n u i dp o l y b u t a d i e n ea n d n o n n e 叭o n i a n f l u i dc m c ， p u r es h e a rv i s c o s i t ya tc h a n n e lw a l la n dp u r ee x t e n s i o n a lv i s c o s i t ya tc o r ea x i s o fn e w t o n i a n - f l u i d p o l y b u t a d i e n ea n dn o n n e w t o n i a n n u i dc m ca r e c a l c u l a t e db yt h eg e n e r a l i z e dv i s c o s i t ym o d e l t h e yc h a r a c t e r i z ed i f f e r e n t p e 响n n a n c e so fn e 叭o n i a n - n u i dp o l y b u t a d i e n ea n dn o n n e 嘶o n i a n n u i d c m c ，r e s p e c t i v e l y i tt e s t 讯e st h er a t i o n a l i t yo fag e n e r a l i z e dv i s c o s i t ym o d e l o f p 0 1 ”n e rm e l t s k e yw o r d s ： p i vc o n v e 唱i n gc h a n n e l ，v e l o c i t yf i e l d ，n e 叭o n i a n n u i d ， n o n n e w t o n i a n n u i d ，ag e n e r a l i z e dv i s c o s i t ym o d e l l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 真实黏度研究背景1 1 2 真实黏度模型相关介绍1 1 2 1 真实黏度模型1 1 2 3 恒拉伸速率收缩流道速度场3 1 3 流场的测量方法4 1 4p i v 技术研究进展及其实际应用6 1 4 1 粒子图像测速( p i v ) 技术简介6 1 4 2 粒子图像测速( p i v ) 技术特点6 1 4 3 粒子图像测速( p i v ) 技术发展7 1 4 4 粒子图像测速( p i v ) 技术应用7 1 4 5 粒子图像测速( p i v ) 技术原理8 1 4 6 粒子图像测速( p i v ) 技术的组成8 1 4 7 粒子图像测速( p i v ) 技术粒子图像的处理方法9 1 4 8p i v 测量误差及消除1 0 第二章实验装置及方法1 1 2 1 实验装置1 1 2 1 1 机械传动装置1 1 2 1 2 实验模型有机玻璃收缩流道设计1 2 2 1 3 粒子图像测速( p i v ) 实验设备1 3 2 2p 实验过程及方案1 4 2 2 1p 实验装置操作及设置1 4 2 2 2p 实验方案1 6 第三章收缩流道速度场的p i v 实验研究与分析1 9 3 1 牛顿流体液态橡胶聚丁二烯收缩流道速度场研究与分析1 9 3 1 1p 实验数据处理1 9 3 1 2p o l y f l o w 流场仿真2 2 3 1 3 轴向速度和径向理论推导2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 3 1 4 结果对比与讨论2 7 3 2 非牛顿流体食品添加剂溶液收缩流道速度场p i v 研究与分析2 9 3 2 1p i v 实验数据处理2 9 3 2 2p o l y f l o w 流场仿真3 l 3 2 3 结果对比与讨论3 2 第四章真实黏度模型相关计算3 4 4 1 牛顿流体聚丁二烯黏度相关计算3 4 4 1 1 拉伸速率3 4 4 1 2 剪切速率3 5 4 1 3 剪切应力3 6 4 1 4 拉伸应力3 7 4 1 5 剪切黏度3 8 3 8 3 9 3 9 3 9 4 0 4 1 4 2 4 2 4 3 4 6 4 6 4 7 4 7 4 9 5 1 5 3 5 5 1 4r e s e a r c hp r o g r e s sa 1 1 dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rp i vt e c h l l o l o g y 6 1 4 1t h ei n 仃o d u c t i o nf o r p t e c l l n o l o g y 6 1 4 2t h ec h a r a c t 面s t i c sf o rp i vt e c l l n o l o g y 6 1 4 3n l ed e v e l o p m e n tf o rp i vt e c l u l o l o g y 一7 1 4 41 1 1 ea p p l i c a t i o nf o rp t e c h n o l o g ) ，。7 1 4 5t h e p r i n c i p l ef o rp i vt e c h n o l o g y 8 1 4 6t l l ec o m p o s i t i o nf o rp i vt e c h n o l o g y 8 1 4 7t h ep r o c e s s i n gm e t h o df o rt h ei m a g eo f p i v 9 1 4 8m e a s u r 锄e n te n o ra n de l i m i n a t eo f p i v l o c h a p t e r 2e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n ds c h e m e 1 l 2 1e x p 嘶m e i l t a la p p a r a t u s 1 1 2 1 1 m a c l l i n e 巧t r a n s m i s s i o n 印p a r a t u s 1 1 2 1 2d e s i 印o f o r g a i l i c g l a s sc o n v e r 百n gc h a l l l l e l ”1 2 2 1 3e x p 嘶m e n t a le q u i p m e n tf - o rp i v 1 3 2 2e x p e r i m e n t a lp r o c e s sa 1 1 【ds c h e m ef o r p i v 1 4 2 2 1e x p 嘶m e l l t a lo p e r a t i o na i l ds e tf o rp 1 4 2 2 2e x p e r i m e n t t a ls c h 锄ef o rp i v 1 6 c h a p t e r 3p i vs t u d yo ft h ev e l o c i t yf i e l df o rc o n v e r g i n gc h a n n e l 1 9 3 1s t u d yo f m ev e l o c i t yf i e l df o rn e 叭o n i a n - n u i dp o l y b u t a d i e n e “1 9 3 1 1d a t ap r o c e s s i n gf o rp e x p 甜m e n t 一1 9 3 1 2f l o wf i e l ds i m u l a t eb yp o l y f l o w 2 2 3 1 3d e d u c e db yt h e o r yf o ra x i a lv e l o c i t ya n dr a d i a lv e l o c i t y 2 5 v h 北京化t 大学硕士学位论文 3 1 4c o m p a r i s o na n dd i s c u s s i o n 2 7 3 2s t u d yo f t h ev e l o c i t y6 e l df o rn e w t o n i a l l - f l u i dc m c 2 9 3 2 1d a t ap r o c e s s i n gf o rp e x p e r i m e n t 2 9 3 2 2f 1 0 wf i e l ds i m u l a t eb yp o l y f l o w 31 3 2 3c o m p 撕s o na n dd i s c u s s i o n 3 2 c h a p t e r4c a l c u l a t i o nf 0 rg e n e r a i i z e dv i s c o s i t ym o d e l 3 4 4 1c a l c u l a t i o n o f v i s o c s i 够f o rn e w t o n i 孤一f l u i dp o l y b u t a d i e n e 3 4 4 1 1e x t e n s i o n a lr a t e 3 4 4 1 2s h e a rr a t e 3 5 4 1 3s h e a rs 仃e s s 3 6 4 1 4e x t e n s i o n a ls t r e s s 3 7 4 1 5s h e a rv i s o c s i t y 3 8 4 1 6e x t e n s i o n a lv i s o c s i t y 3 8 4 2c a l c u l a t i o no f v i s o c s i t yf o rn e 叭o n i a n f l u i dc m c 3 9 4 2 1e x t e n s i o n a lr a t e 3 9 4 2 2s h e a rr a t e 3 9 z i o z 拿1 z l ：! z 1 2 z 1 3 z 1 6 z 1 6 z 1 7 4 7 4 9 5 1 5 3 5 5 符号说明 符号说明 拉伸速率s 。1 剪切速率，s 1 拉伸应力，p a 剪切应力，p a 中心轴线拉伸应力，p a 壁面剪切应力p a 中心轴线拉伸速率，s 。1 壁面剪切速率，s 1 中心轴线拉伸黏度励s 壁面剪切黏度助s 流动指数 稠度助百 压力差，p a 流体流动速度，m s 。1 轴向坐标，m 径向半径，m 轴向速度，m s 。1 径向速度，m s 。1 流率，m 3 s 。1 压力助 中心轴线上的流体速度，m s 。1 截面处流体的平均速度m s 。1 f x o 九 甩 m 肇 一y z 厅 矿 杉 q 尸 u y 北京化工大学硕士学位论文 d 三 止 a d o w n a w o q a m 眭 乞 匕。 厶f c m c l d a p c c d 截面特征直径m 特征距离，m 微元段厚度m 上游压力测量出的截面积m 2 下游研究面处的截面积，m 2 z 微元段的侧面积，m 2 研究面中间截面的截面积m 2 研究面处的上游的压力n 研究面处下游的压力，忍 激光脉冲间隔时间m s c a r b o x y lm e t h y lc e l l u l o s e l a s e rd o p p l e ra n e m o m e 仃y p a r t i e l ei m a g ev r e l o c i m e t 巧 c h a 玛e - c o u p l e dd e v i c e x 第一章绪论 1 1 真实黏度研究背景 第一章绪论 一切流体都具有黏性，黏性是流体的基本特征，即：凡是流体都具有黏性。黏性 是流体的内摩擦，是流体反抗形变( 流动是形变的形式之一) 的特征。黏度是黏性的程 度，是内摩擦力或流动阻力的度量。真实流动往往是剪切与拉伸并存的，因此黏度应 包含剪切黏度和拉伸黏度两个方面，早在1 6 8 7 年出版的文章中就提出了在简单的稳 定状态的剪切流动中，流体的粘度是剪切应力与剪切速率的比值，我们称之为剪切粘 度，当流体经受拉伸流动时，其反抗拉伸变形的粘度称之为拉伸粘度【l 一钉，这是最早给出 的拉伸黏度定义的，拉伸黏度的定义和流变模型不同于剪切粘度。 长期以来，高聚物流变学，物理学和流体力学都在进行剪切流动及剪切粘度理论 研究。对高聚物流变学领域而言，剪切变稀是普遍存在一种著名的高聚物流变现象【2 】。 可以通过不同的流变模型理论研究和实验装置来测量其剪切粘度，同时也推广和建立 了被高聚物流变学领域所认可的各种剪切粘度的流变模型及实验仪器【2 捌。 但是，高聚物流变学和流体力学对于拉伸粘度的流变模型的理论研究却远没有对 剪切粘度的理论研究开始的早，在流变学和流体力学最开始拉伸粘度研究仅仅是从单 轴拉伸实验中测量沥青的粘度开始的【5 】，那个时候还没有定义拉伸粘度和丌展进一步 的拉伸流变模型理论研究，然而在以后的高聚物流变学和流体力学领域研究中，对粘 度的理论研究从那时就开始慢慢形成了对剪切粘度和拉伸粘度各自的研究，并产生了 不一样的粘度定义和粘度模型【4 ，6 7 】。拉伸黏度的实验因其复杂性尚在研究中。 在目前的聚合物的粘度测量方法中，比如采用毛细管流变测量以及锥板流变仪， 都是直接测聚合物流体在流动状态下的剪切粘度。但是，根据麦克斯韦理论模型，对 于大多数属于假塑性流体的高分子材料，既具有粘性，又具有弹性，所以，拉伸粘度 是高聚物不可忽视的一个性质，在工业生产中，拉伸性能有时也会是聚合物加工的主 要决定因素之一，比如在纺丝、精密挤出、薄膜压延以及注塑细管产品时，聚合物的 拉伸粘度都将直接影响产品的拉伸强度和精密程度。所以，对于研究聚合物熔体的拉 伸性能具有重要的意义和广阔的市场空间。 因此，提出一种包括剪切和拉伸黏度的且具有黏度唯一性的真实黏度模型。 1 2 真实黏度模型相关介绍 1 2 1 真实黏度模型 北京化工大学硕士学位论文 多年以来，高聚物流变学，物理学和流体力学对研究剪切流动及其粘度做了大量 的工作，我们可以通过不同的流变模型理论研究和实验装置来测量其剪切粘度，建立 了被高聚物流变学领域所接受各种剪切粘度的流变模型及实验装置【2 3 】。剪切粘度的测 量已经发展的比较成熟，这是因为要产生一个纯剪切场是比较容易的，但是，在现实 的流动中往往是剪切和拉伸共存的状态。 因此，根据应变速率张量的第二、第三不变量相互独立性，我们提出了一种唯一 的、满足剪切变稀及各种拉伸形态的黏度模型【8 9 1 ： 7 7 g ：丢( 孚) ：姿善厂( 妒叠) ( 1 _ 1 ) z 儿d 、，3 营+ y 针对广义牛顿流体提出了一种唯一的广义黏度定义，而剪切黏度及拉伸黏度仅仅 是它在不同流动下的特殊形式，对所有的简单剪切和拉伸流动，该黏度的唯一性都得 到了证明，另外，黏度同时取决于应变速率张量的第二和第三不变量，它们的影响是 相互独立的，在既有拉伸又有剪切的复合流动中，广义黏度为拉伸黏度的精确测量提 供了一个有效的基础平台，为进一步研究拉伸黏度提供了理论基础【9 1 。如果盯，r ，夕，叠能 够测量得到，则其真实粘度可以计算且具有唯一性。 1 2 2 恒拉伸速率收缩流道 为了在拉伸和剪切流动共存的流场中验证真实黏度模型方程( 1 1 ) ，我们参照 j 锄e s 流道【1 0 】作为实验及模拟的流道，如图1 1 所示。恒拉伸速率收缩流道是真实黏 度流变仪的关键部分，熔体流经这种流道时既有剪切又有拉伸流动，假设流体在壁面 处无滑移发生，则流体的流动速度为零，而且在壁面上产生纯剪切( 无滑移假设) ，在 中心轴线上产生纯拉伸且拉伸速率恒定，其曲线方程为： 尺2 ( z c 1 ) = c ( 1 2 ) 其中，c l 、g 为待定常数，r 、z 分别为流道曲面某一位置半径及轴向位置【1 1 ，12 1 。 图1 1 恒拉伸速率的连续收缩流道 f i g 1 一l1 1 1 ed i s t r i b u t i o no ft e n s i l er a t e 丽t h i nc o n 锄c t i o nn o w c h a r u l e l 北京化工大学硕士学位论文 当聚合物熔体或溶液流过恒拉伸速率收缩流道时，其纯剪切的效应可以认为只局 限在壁面处，在流道的中心轴线上流体是受到纯拉伸的作用，且其拉伸速率亡为常数， 即其值的大小只与流量q 及其他几何参数有关，当改变其流量q 时，熔体的挤出速率随 之而改变，从而改变管道内部的流场，导致拉伸速率发生改变】。其关系式如下：此 时它所受到的剪切为零【l l 】： 4 门， 。三嵩q ( 1 3 ) 其中：c 。= ( 厂2 y 2 ，u 为参考截面处中心轴线上的熔体速度，朋j 一，y 为参考 截面上的熔体的平均速度，小s 一，为某特征长度，m 。 1 2 3 恒拉伸速率收缩流道速度场 对于聚合物熔体流动而言，二维流动中的两个重要特例包括平面流动和轴对称流 动，我们参照的j a i l l e s 流道【l o 】作为实验及模拟的流道，j 锄e s 收缩流道流动属于轴对 称流动，对于不可压缩流体稳定的轴对称流动，按照轴对称流动的特点，其速度场： 矿= 杉( ，- ，z ) ，k ( 厂，z ) ，o 】( 1 4 ) 在一般情况下，轴对称流动的温度场也是二维的t = t ( r ，z ) ，在r ，z 坐标下，可以 列出速度梯度张量方程，根据恒拉伸速率收缩流道速度场可计算出轴对称流动的剪切 张量，通过对速度方程求导，即为其剪切速率与拉伸速率： 尹：墨+ 生( 1 5 )，= 一二+ 2 ii - ) l 劣龙 ：冬+ 誓 ( 1 6 )= + j【l - 6 ) 饵眩 如果已知恒拉伸速率收缩流道的速度场，就可以直接计算出壁面剪切速率及中心 轴线上的拉伸速率，通过对真实黏度流变仪收缩流道速度场、压力差、流量等数据的 测量及计算，可以得到在真实黏度模型方程( 1 1 ) 下实验流体在壁面处位置剪切粘度和 中心轴线位置拉伸粘度，同时，还能测出流道空间中任意一点的剪切速率和拉伸速率， 代入到真实粘度模型方程( 1 1 ) 下计算，从而得到任意坐标位置处的剪切黏度与拉伸黏 度，以及材料的真实黏度【1 1 1 。并与商业流变仪实测粘度比较，来验证真实黏度模型合 理性。 同时，通过对现有的一些国内外商业流变仪的研究，在它们进行测量流体黏度实 验时，一般都是把实践经验和理论推导出流变仪的流道的流场代入到它们的黏度模型 中，从而计算出流体的黏度，然而仅仅是实践经验和理论推导还无法证明现有商业流 变仪流道的真实速度场和假设流场一致性，存在一定的误差。目前国内外还没有对现 有商业流变仪内部流场的进行测量，对计算模型、计算方法和计算结果无法进行实验 北京化工大学硕士学位论文 验证，也就无法确定其正确性及可靠性。 因此，考虑到以上因素，真实黏度流变仪收缩流道速度场的研究对于验证真实黏 度模型的合理性和真实黏度的计算具有极其重要的作用，为此，本课题首次考虑用现 有流场测试技术来研究真实黏度流变仪流场分布特性，分析真实黏度流变仪恒拉伸速 率收缩流道流场对流体的真实黏度的影响规律。 所以，恒拉伸速率收缩流道的速度场成为验证真实黏度模型正确性及可靠性的一 个关键性因素和重要的研究方向。下面我们将介绍一些国内外现有的流场测量的方 法。 1 3 流场的测量方法 目前测量流场的方法主要有热膜热线风速仪法，相位多普勒风速仪，激光多普勒 法和粒子图像测速法。每种流场测量方法和原理也各不相同： l 、热膜热线风速仪法 热膜热线风速仪的原理是将一根通以电流而被加热的细金属丝置于通道中， 当流体流过它时则将带走一定的热量，此热量与流体的速度有关。其流速的确定， 常用的有两种方法：一是定电流法，即加热金属丝的电流不变，气体带走一部分 热量后金属丝的温度就降低，流速愈大温度降低得就愈多；测得金属丝的温度则 可得知流速的大小。另一种是定电阻法( 即定温度法) ，改变加热的电流使气体带 走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变( 也称金属丝的电阻值不变) ；这 时流速愈大则所需加热的电流也愈大，测得加热电流值则可得知流速的大小。此 方法可用于不稳定流动中的动态速度测量。但这种方法的致命缺点是接触式测量，对 流场测量和微小流道流场有很大的扰动。 2 、相位多普勒风速仪( p d a ) 相位多普勒风速仪( p h a s ed o p p l e ra n e m o m e 时，p d a ) 是2 0 世纪8 0 年代以后由激 光多普勒风速仪发展得来的一项可以同时测量流场中粒子的速度和粒径信息的新技 术。一定条件下，球形粒子的直径同相位差成正比。因此，在原有的激光多普勒测速 系统上再加一个或两个光检测器和一套相位检测系统，就可以从粒子多普勒散射光中 的相位信息中得到流场中单个粒子的速度和粒径信息，这就是相位多普勒风速仪。其 优点是：( 1 ) 可对液体流动或气体流动中的球形粒子、液滴或气泡的尺寸、速度和浓度 进行实时测量；( 2 ) 对粒子尺寸、一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步、无接触实 时测量；( 3 ) 可以对以超音速、几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的粒子的特性进 行测量；( 4 ) 可进行测量的粒子尺寸范围从微米级到厘米量级。其缺点是价格昂贵、调 整技术复杂。 3 、激光多普勒测速( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t w ，简称l d v 技术) 4 北京化工大学硕十学位论文 激光多普勒测速( l d v ) 是利用激光多普勒效应来测量流体流速的测量工具。再根 据多普勒信号频率与速度的联系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测 速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系， 是目前世界上速度测量精度最高的仪器。 激光多普勒测速( l d v ) 是利用激光多普勒效应来测量流体速度场的测量工具。其 原理是就是多普勒效应，即当信号源与接收者之间发生相对运动时，信号频率会发生 变化。因此，激光的多普勒频移就包含了流体的运动信息，这样我们就可以得到流体 在各处的流动速度。1 9 6 4 年y y c h 和h z c 啪m i n s 首次实现了用激光多普勒效应测量出 圆管中水的层流速度分布，实验结果与理论计算值非常吻合。此后的四十多年间，激 光多普勒测速技术的发展速度十分惊人，并且广泛应用于流体流场测量领域。与之前 提到的两种测量方法相比，激光多普勒测速方法有其优势及劣势。 激光多普勒测速仪的优点是【1 4 1 ：( 1 ) 非接触式测量，激光交点就是测量点。可用于 高温和高压等流体的测量，对流场无干扰，空间分辨率高，线性度好，测量精度高。( 2 ) 动态效应好。可进行实时测量，是测量瞬时运动速度的有效手段，能判别流动方向。 ( 3 ) 测速范围大。能用于热线流速已难以测量的流场。其缺点是：( 1 ) 要求光路通道上：。 的透明性很好，因此要求用透明材料制作试验段的窗口。( 2 ) l d v 是典型的单点测量 仪器，每次实验只能测量一个空间点，要想获得一个整个空间的流场信息，就必须测 量几十到几百个点，由于这些测量不能同时进行，因此l d v 不能用于研究非稳态流动 ， 【1 5 ，l6 】 o 4 、粒子图像测速( p 砒i c l ei m a g ev e l o c i m e t i y ，简称p ) 技术 如上文所述，尽管单点测量技术有精度高、分辨率好的优点，但是难以获得整个。 流场的结构和瞬态图像，然而获得整体空间结构和瞬态图像的流动显示的技术能更好 地体现实际的真实的流体流动。因此，随着激光技术、计算机技术、图像处理技术的 发展，p 技术应运而生了。p i v 技术实质上是图像测速技术中的一种，它结合了激光 技术、跨帧c c d 技术以及数字图像处理技术，是在近几十年来逐渐发展起来的一种全 新的主流的流场测量技术【” l7 1 。 p 技术与激光诱导荧光技术类似，不同之处是p i v 技术是用示踪粒子代替了荧光 粒子，让激光直接照射在示踪粒子上，再用照相机拍摄示踪粒子反射的光线，就可以 捕捉到该示踪粒子的位置。在很小的时间问隔内再进行一次粒子图像拍摄，就得到了 同一个示踪粒子在不同时刻的位置图像，然后用专业的计算机图像处理软件进行分 析，根据示踪粒子的位移就可以得到该粒子的运动速度等信息，进而就可以得到整个 真实流场的信息。 p 技术是一种动态显示技术，我们在拍摄的过程中就可以得到流场的瞬时图像， 并且测量的准确度和分辨率非常高，对流场也没有任何干扰，测量结果十分准确。由 于p 技术的拍摄原理，要想使测量结果更加的准确，必须使示踪粒子能够很好的体 s 北京化工大学硕上学位论文 现出该位置处质点的运动状态，这就要求示踪粒子要具有很好的跟随性，并且浓度也 要适当。 近些年来，p i v 在流场的测量中越来越显示出了它的优越性，p i v 技术已经应用于 很多工程领域中的流场测量中，但目前国内外还没有将其应用于流变仪内部流场的分 析测量，而且，国内外对于流变仪内部的流场的研究至今没有获得准确、直观、全面 的内部流场分布规律。在现有的商业流变仪中都是假设和理论推导的速度方程，无法 验证其j 下确性和可靠性，因此，真实黏度流变仪收缩流道速度场的研究对于验证真实 黏度模型的合理性和真实黏度的计算具有及其重要的作用。 基于以上几种流场测量方法的优缺点考虑，p i v 测速技术符合测量真实黏度流变 仪收缩流道速度场的实验要求。为此，本课题首次考虑用p i v 技术来研究真实黏度流 变仪收缩流道流场分布特性，分析收缩流道真实流场对流体的真实黏度的计算影响规 律。 1 4p i v 技术研究进展及其实际应用 1 4 1 粒子图像测速( p l 技术简介 p 即粒子图像测速技术，是八十年代发展起来的一种瞬态、多点、无接触式 的全新的主流的流体流动测速技术【1 5 ，l8 1 。近几十年来得到了较快速的发展，九十 年代后期成熟起来的流体流动显示及流场测量技术的发展，p i v 系统已逐渐成为一项 成熟而得以广泛应用的流体测量工具，它结合了激光技术、摄像机技术以及数字图像 处理技术，使得对流体流动测速技术取得了革命性的进展，它可以同时测量一个平面 上很多个点的速度，p i v 技术的这个特点是克服了了单点测速技术( 如l d v ) 的局 限性，同时，它也很好的继承了单点测量和显示测量技术的优点，它拥有了对流场无 干扰，空间分辨率高，测量精度高等优点，能在同一瞬态储存下大量流速测量点上 的速度分布及其他信息，并能够准确地显示出的流场的整个空间结构以及流体真 实流动规律【1 5 ，l 引。 1 4 2 粒子图像测速( p i 技术特点 p 技术具有一些独特的优点，其特点【19 】： ( 1 ) p 能对非定常流场瞬态测量，突破了单点测量的局限性。 ( 2 ) p 能非接触式进行测试。 在现实流体流动中存在着很多复杂的情况，例如离心泵的几何结构复杂，所以其 6 北京化工人学硕士学位论文 内部流场也极其复杂并呈强烈的三维紊流特性，无法得到深入其内部得到其速度场， 此时可以采用p 技术。 ( 3 ) 测量精度高，动态响应快，分辨率高。 ( 4 ) 能获得平面流场呈现的整