关于气体粘度测量的低频振动法研究
流体的粘度是工质热物性研究的重要内容之一,它是化工、制冷、能源、材料等应用领域中不可缺少的基础数据.目前在CFCs替代研究中,许多工质的粘度数据都亟需扩充和完善.对于低粘度液体的测量,一般可用各种形式的毛细管粘度计、落球粘度计、旋转粘度计等进行,但难以得到高压下的精确数值.气体粘度的测量则难度更大.
本世纪初,以水蒸气为代表的低粘度流体粘度的测量由于工业发展的需要而逐渐展开.在测量方法上,大部分人沿用了测量液体粘度的方法,如落球法、旋转筒法、借助毛细原理设计的各种方法以及利用标准喷管的阻力损失来进行测量等等.但大多数测量的范围狭窄,结果不甚满意.
低频振动粘度计又称振动盘粘度计,它在工作时是利用一个在被测流体中作简谐衰减扭振的圆盘来测量粘度,通常盘是悬挂于一根高弹扭丝下,振动周期在10 s以上.由于其原理最先由Maxwell在18世纪提出,所以也有人称Maxwell型粘度计,它在低粘度流体的测量上得到比较高的精度.
Brown大学的J.Kestin等人总结了气体粘度测量的诸多方法,首先利用振动盘粘度计来测量水蒸气的粘度,并得到了较高的精度,同时,他们在Maxwell理论的基础上,进一步发展了其测量理论,并又对设计进行了改进,使之可用于液体和融盐的粘度测定.其测量范围达到30 MPa和500℃[1～3].
日本在Brown大学之后很快建立了自己的试验台位,他们分别采用融解石英和不锈纲作为扭丝和盘的材料,并将振动盘的初始振动改用电磁激振,设计了较好的高压定量加压系统,整个测量系统的精度约1%[4].
2($H-$0)H= ImD(s) (13)上式中H=T0T;$、H可以通过测量直接得到;D是未知量,若Q也是待测量,原则上,应用(12)式和(13)式2个方程可以将D和Q一同解出(由D和Q即可得动力粘性系数L);若只有D是待测量,可用(12)式或(13)式中的任何1个来求解,一般大都选用虚部方程即(13)式,进一步的推导可以论证,对粘度较低的流体,实部方程对误差的影响要更敏感一些.
利用上述理论进行流体粘度的相对测量时,一般也采用虚部方程,并在D(s)中加入1个边界层厚度的函数,作为校正项.
目前,从发表的文献上看,国外一般利用这种粘度计测量的精度在1%～3%左右,还有文献报导对常压下20℃水的测量精度达到了0.01%.
我国目前在气体的粘度测量上鲜有报导,而在化工、制冷、能源等工业上,一些气体及低粘度液体的粘度数据亟需扩充、完善,因此开展我们自己的低粘度测量研究是很有必要的.
1 工作原理图
在参考国外几个试验台位的基础上,由我室自行设计的低频振动粘度计的本体.其中1为石英扭丝,上端固定,下端悬挂振动盘;2为振动盘;3为2个固定盘;4是跟随振动盘一起运动的吊杆;5是小镜;6为推力轴承.准备测量时,先将本体转动1个小角度,然后恢复原位,振动盘就会在弹性扭丝的作用下做振幅逐渐衰减的简谐扭转振动.由于小镜是跟随工作盘一起运动的,所以工作盘的运动轨迹可以通过记录从小镜反射出来的激光束的运动轨迹得到,由其运动轨迹可以直接得到振动的周期T和振幅的对数衰减率$,由这2个参数,可以通过工作方程计算出振动盘周围流体的粘度.
2 测量原理及工作方程
对于振动盘的扭转振动,可以对扭转角A写出下列运动方程IX20[d2A(S)dS2+ 2$0dA(S)dS+ (1 +$20)A(S)] =M(S) (1)初始条件S= 0, A(S) =A0, dA(S)dS= 0式中 M(S)为流体作用于盘的粘性阻力矩;X0=2PT0;T0为工作盘在真空中[M(S)=0]扭振的固有周期;$0为工作盘在真空中扭振的振幅对数衰减率;S=X0t为1个无量纲的时间变量;I=PR4h为振动盘的转动惯量,其中R为振动盘半径,h为振动盘厚度.
经过Laplance变换,方程(1)可以演变为数据的平均偏差在10%以内,最大偏差不超过15%,如图2.需要指出的是,图2的试验数据是作者用此台位进行的早期试验结果,试验方法及其操作尚处于摸索之中,本文的测量结果与文献[7]的数据在一些点产生较大偏差的原因,可能是在最早进行的真空数据测量中,由于低温下的数据不是很好而导致的.作者目前对试验台又进行了完善,对其各个特征参数重新进行了仔细测量,有关更大温度范围内的R152a气体粘度测量工作正在继续进行.
