原油流变学-第三章-流变性测量基础

1、第三章 流变性测量基础,3.1 概述 一、流变测量的分类 具有复杂流变性的物料，在外力作用下，力学响应随形变（流动）方式和形变（流动）历史而异。从严格意义上讲，流变测量是选择简单流动方式来测定在特定历史下流体的物料函数，即应力、应变、应变速率及粘度、模量等流变响应特性。 简单流动中，流体运动的描述有三个主要方向，即流动方向、速度梯度方向和中性方向。在剪切流动中，这三个方向是相互垂直的，在拉伸流动中，流动方向与速度梯度方向平行。因此，按流动方向与速度梯度方向的关系，流动可分为剪切流动和拉伸流动。剪切流动按照其流动的边界条件可进一步分为拖动流动和压力流动。拖动流动是由运动边界所造成的流动，而压力流

2、动是边界静止，由压力梯度产生的流动。,按形变历史，即流动速度随时间的变化特点，流动又可分为稳态流动，即形变速率不随时间改变的流动；瞬态流动，即应力或应变发生阶跃变化的流动；以及动态流动，即流体经受交变的应力和应变，通常是小振幅正弦振动的流动。 稳态剪切流动是纯粘性流体流变性测量中最常用的流动，具有如下特点： 在稳态简单剪切流动中，液层刚性地平移，其中任意两液层微元之间的距离保持不变。液层是物质面，常称剪切面； 每个液体微元在流动中保持体积不变； 对稳态剪切流动，剪切线实际上是液体微元运动的轨迹。,二、流变测量的任务与内容 流变测量的任务包括理论研究和实验技术两个方面。理论研究主要是建立在各种边

3、界条件下的直接测量值（压力、扭矩、转速、流量等）与不能直接测量的物料流变响应（应力、应变、应变速率等）的关系，分析各种流变测量试验的含义及其引入的误差。实验技术方面主要是在很宽的测量范围内，实现从稀溶液到固体等不同状态体系的测定，并使所测量的量尽可能准确反映物料本身的流变性和工程应用条件，这就要求研制出测量范围广、功能多、精确度高的流变仪。 对一个具体的流变测量，其总的测量过程可归纳为：（1）设计或选用适合工程或工艺要求的流变仪，建立物料的流变响应与测量系统的关系，即寻求流变仪的测量原理；（2）提供反映工程或工艺性质的流变测量方法；（3）寻找物料的流变方程，发展和检验本构方程。,一、细管法测粘

4、的原理 假定细管能满足下述条件： （1）细管十分长，并呈直线状，且内径均等； （2）流体的流动状态为充分发展的稳定的层流，流体内任 一点的流速仅是其半径r的函数； （3）流体是不可压缩的均质流体； （4）与细管内壁相接触的流体没有滑移； （5）流体流变性质与时间无关，其剪切应力与剪切率之间 存在一一对应的关系； （6）流体是等温的。,3.2 细管法测定流变性,如图3.1所示的稳态管流，当流体流速限定时，流体沿管道产生层层流动，此时剪切面为同心圆柱面，剪切线为平行于管轴的直线。,图 3.1,流体微元的运动迹线与剪切线重合。随半径r的增加，流体微元运动的速度减小，因此管流的剪切率表示为：,（3-1

5、）,在柱坐标中，速度分布可表示为：,图 3-2,如图3-2所示的细管段，长为L，半径为R，两端压差为P。在以管轴心线为中心，半径为r的圆柱体上，存在着两个方向相反的力：,图 3-3,二、细管法测定非牛顿流体流变性原理 1。管流基本方程,图 3-4,另外，由前面推导的式（3-4）得：,图3-5,4. 用普适值方法测定流变性流体在细管中流动时，在不同半r径处，其流速u、剪切速率 、剪切应力 都不同，它们都是半径r的函数。而非牛顿流体的u、和 在管中的分布与牛顿流体也不同，即流场不同。幂律流体在圆管中的流速分布公式为,由 计算出圆管中剪切速率的分布公式 当流变指数n1时，上述公式变为牛顿流体的公式，

6、即 在Q、R一定的条件下，令上述两式相等，可得到,计算表明，在0.3n的较广范围内，有,其误差变化在5以内，而n值很小的流体并不多见，另外许多非牛顿流体均可按局部幂律流体的方法处理，因此，可以说，在圆管中的 r=R/4 处， 非牛顿流体的剪切速率与牛顿流体的相同，而与流体的非牛顿性质无关。这一特点对诸多非牛顿流体具有普遍适应性。 r=R/4处的剪切应力 和剪切速率 称为普适剪切应力和普适剪切速率。 根据上述特点，在进行非牛顿流体流变性测量时，首先测定p和相应的Q ，按照牛顿流体特点计算出r=R/4处的 和 。,剪切应力在圆管中随半径线性分布，因此 牛顿流体的剪切速率随半径也是线性分布的，并且前

7、面已知牛顿流体在管壁处的剪切速率为 那么 对非牛顿流体来说，与 对应的剪切速率 就是其真实剪切速率，因此可根据 变化关系，作流变曲线，求流变方程。,一般管式流变仪或管路模型由五个基本部分组成： （1）盛实验流体的容器； （2）已知管径与管长的实验管段； （3）压力调节与测量系统； （4）流量调节与测量系统； （5）温度控制系统。,三、测量误差分析 前面的分析推导都是在假定的理想实验条件下进行的，实际测量中有许多条件偏离理想情况，从而造成测量误差。严格地讲，影响测量误差的因素不少，但流变仪的类型不同、流体的粘稠程度不同，影响测量结果的因素不仅相同。另外，不同的测量目的，对测量误差的容许程度也不同

8、。有些造成测量误差的因素是不可避免的，但可以通过适当的实验技术和修正方法将误差减小到实验结果精度允许的程度。下面介绍一些常见的（或主要的）影响测量误差的因素及修正办法。 1、紊流流动 根据前面的假定条件，流变测量要求流体在实验管道中严格处于稳定层流状态。这一实验条件可由雷诺数 来判断。,2、测量管段的几何尺寸误差 理想的实验条件要求测量管段直且管径处处相等，否则造成测量误差。,图 3-6,3、动能修正 对短管式流变仪，当流体从毛细管高速地直接排向大气时，流体携带可观的动能，在一定的操作条件下，这部分动能占施加总压力的相当大比例，对此应当加以修正。 毛细管内流动液体的动能相当的压差，即动能修正的

9、压差值为：,（3-51）,式中，m动能修正系数。 m决定于管内部的流速分布，具有抛物线速度分布的牛顿流体层流状态，其m=1；,（3-52）,可见，当n1时，m1；当n时，m=1.35。,而对幂律流体：,即,（3-53）,动能修正一般对低粘流体高速流动的情况比较重要，如低粘牛顿流体的粘度测定。对高粘流体，动能修正几乎不起什么作用，因为动能修正与总压差相比很小。对非牛顿流体，一般把动能修正综合考虑在端部效应中。,考虑了动能修正后，牛顿流体的粘度为：,4、端部效应 在管式流变仪中，储罐内的液体以收敛型的流场进入测量管段入口，而在测量管段的出口又以扩张型的流场排出，在这些收敛与扩张的流场中，相邻流线间

10、的任何速度差异都将消耗能量来克服流体的粘滞力。而管式流变仪测量的前提条件是要求流线与管轴线平行。这种由于测量管段进出口流线的收缩与扩张造成额外压力损失的现象称为端部效应。 对于纯粘性流体，常用细管入口长度L0定量描述这种现象。L0定义为从入口到管中心流速达到充分发展流动时流速的99%截面间的距离。对牛顿流体层流，入口长度为L0=0.0575DRe。在模型管路中，应避免在入口长度内设置取压点。,但由于入口和出口处速度分布非常复杂，常用于计算L0的模型并不完善，特别是对非牛顿流体。在管式流变仪中，人们常用端部修正的方法，使端部效应造成的这部分压力损失用等效的管子修正长度D（为修正数）来表示。这样毛

11、细管的计算长度将为（L+D），其中L为几何长度。对牛顿流体，考虑到动能修正和端部修正后，哈根-泊肃叶方程变成：,（3-54）,修正长度可用内径相同而长度不同的几支细管做实验求得，方 法如下：,图 3-7,然后，由图3-7作出不同流量下的关系曲线，一般为直线， 如图3-8所示。,图 3-8,端部修正长度的确定尽管可行，但实验工作量较大。如果使用较大长径比的毛细管，以致端部效应与毛细管内流动的压降相比可以忽略不计，就可以不进行端部效应的修正。有文献报道，当L/D100时，即可忽略端部效应的影响。但对粘弹性较强的高聚物流体，即使在较大的L/D下，其端部效应的影响仍然很大。,5、壁面滑移 在细管测粘原理中，曾假定流体在管内壁上没有滑移，即紧贴壁面的流体流速为零。人们在悬浮液等分散体系进行流变测试中，发现流体在壁面有滑移现象。滑移产生的机理目前仍处在研究中，有人把它分为三类：（1）在壁面有一低粘的润滑液层；（2）由于聚合物分子或伸长的粒