旋轉粘度計間隙流及其對粘度測量的影響

導讀:采用 Fluent 分析軟件模擬了旋轉粘度計在不同間隙比、轉速下間隙流的流態，探討了間隙流流態影響粘度測量的機理。旋轉粘度計中內外轉子間隙比、轉速均會影響粘度測量的大小，實驗

來源：未知發布日期：2019-09-19 14:16【大中小】

上海昌吉旋轉粘度計測試范圍廣、操作方便、維護簡單，是流體粘度測量的重要方法之一。在粘度計實際生產、應用、檢測過程中往往把轉子常數作為常量值，采用標準液在某一參數下校準后全量程使用。這在旋轉粘度計間隙流流態處于理想的定常層流態時成立，實際工作中其間隙流態復雜。旋轉粘度計間隙流流態對粘度測試的影響不應被忽視，為此采用 AnsysFluent 分析軟件對其間隙流做模擬，分析了不同間隙比、轉速下間隙流流態的不同。試驗測試了不同轉速下粘度計測量值的偏差，為旋轉粘度計的規范操作提出建議。

1 工作原理

旋轉粘度計工作時，轉子在外界作用力 F 作用下繞中心軸旋轉，帶動間隙流體流動，當系統維持轉子勻速旋轉時，受力平衡，如圖 1 所示。轉子受到來自維持轉子旋轉的作用力 F 和待測流體由于粘滯性質產生的切應力 Fτ，通過測量作用力 F 的方法可測量間隙流體粘度值。柱體長度，m; c—端面效應引起的附加管長，m; r— 內柱體半徑，m; Ｒ—外柱體內半徑，m。對公式( 1) 變形: η = TK·SMC· M ＲPM ( 2) ε = ( Ｒ－ r) /r ( 3) 式中: TK—粘度計扭矩常數; SMC—轉子常數; ＲPM—角速度，r/min; ε—間隙比。

旋轉粘度計的校準實際上是對粘度計 SMC 值的修正。在粘度計實際應用中往往把 SMC 值作為常量值，采用標準液在某一參數下校準后全量程使用。存在以下問題: ( 1) 公式( 1) 是在間隙流處于定常層流態的假設前提下推導而來，實際工作狀態下并不能保證。( 2) 由公式( 2) ，內外轉子間隙比、轉速影響 SMC 值，不同參數下將 SMC 值作為同一個常數并不準確。

2 數值模擬

昌吉旋轉粘度計工作時，內外筒同軸，轉子帶動間隙流做環繞運動，此模型和機械軸承潤滑、發動機氣隙簡化模型等流體機械相似，稱為泰勒科特流模型。為探討旋轉粘度計間隙比、轉速影響間隙流流態，進而反應為粘度測量值的不同。分別將間隙比、轉速作為變量，對其間隙流模型進行建模。

2. 1 間隙比不同
幾何模型: 轉子半徑 10mm，轉速 30r/min，高度取 100mm，間隙比分別取 1. 0 和 0. 4。采用 Gambit2. 2 繪制網格，徑向網格雙向加密，比率為 1. 05，軸向和周向為均勻網格。采用 AnsysFluent6. 3，物性參數相同。運算收斂后分析其切向速度云圖，截取內外轉子間隙的軸向橫截面間隙比較大時間隙流的流動穩定，速度由內向外逐漸減小且成均勻分布。從其徑向方向的切向速度分布圖來看，如圖 3 所示。速度分布曲線的斜率基本不變，更進一步說明了徑向方向上的流體切向速度分布均勻，間隙流體流動穩定，沒有擾動出現，呈層流狀流態。圖 2b，間隙比改變間隙流的流動狀態發生很大變化，此參數下渦動明顯。

2. 2 轉速不同
幾何模型: 轉子半徑 10mm，高度取 100mm，間隙比為 0. 4，轉速分別取 5r/min、30r/min。間隙比、轉速的變化改變了間隙流流態，流態影響了間隙流對轉子的內應力，呈現為粘度測量值的不同。另外，旋轉粘度計實際工作過程中影響因素更為復雜，諸如端部效應、軸心偏移等均會導致間隙流流態變化，如圖 5 所示。因此，在粘度計實際生產、應用、檢測過程中理論上應對各個變量參數下 SMC 值作修正。

3 實驗部分

旋轉粘度計儀器參數( 如轉速、間隙比) 影響粘度測量值。為進一步探討不同儀器參數下粘度測量的差異，以轉速為變量進行試驗。采用 BＲOOKFIELD 公司型號為 DV2TLVTJ0 的 1 號轉子在不同轉速下對二級標準黏度液做測試。按照 JJG1002 － 2005《旋轉粘度計檢定規程》，選擇200# 二級標準粘度液( 222. 7MPa. s，20℃ ) ，按照速度遞減和速度遞增進行兩次測試，結果如表 1 所示。技術條件: 溫度( 20 ～ 21) ℃，相對濕度( 55 ～ 60) % ＲH，恒溫槽溫度波動度 0. 05℃ /15min，數字溫度計分度值 0. 01℃。測量結果示值偏差為 1. 5% 。

4 結語

旋轉粘度計間隙比、轉速的變化導致間隙流流態不同，流態的變化影響粘度測量值。實驗顯示不同轉速下儀器示值偏差達 1. 5% ，樣品流態及其對粘度測量的影響不應該被忽略。因此，在實際生產、應用、檢測過程中把 SMC 值作為常數值，采用標準液在某一參數下校準后全量程使用的方法不可取。建議在旋轉粘度計校準時根據客戶實際需要，對不同參數做 SMC 值修正，并確保應用時采用同一參數。

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