摘要:為了解高分子聚合物黏性溶液對(duì)浮子流量計(jì)流量測(cè)量的影響,采用由不同材料與不同形狀浮子構(gòu)成的浮子流量計(jì)分別對(duì)動(dòng)力黏度從1MPa.s到2692MPa.s范圍的高分子聚合物溶液進(jìn)行流量測(cè)量，根據(jù)對(duì)不同浮子流量計(jì)受黏性影響實(shí)驗(yàn)的分析,獲得了高分子聚合物黏性溶液對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量影響的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,討論和總結(jié)了通過(guò)優(yōu)化浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)以減小高分子聚合物黏性溶液影響的機(jī)理。高聚物黏性溶液對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量影響。
1引言
在石油的開(kāi)發(fā)和加工過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)用浮子流量計(jì)來(lái)測(cè)量黏性流體的流量。由于黏性流體產(chǎn)生的黏性摩擦力會(huì)改變浮子流量計(jì)內(nèi)部浮子所受合力的大小,從而影響測(cè)量的正確率。為了解決這個(gè)問(wèn)題,許多專(zhuān)家做了大量的研究,但研究的黏性介質(zhì)通常是低黏流體，而針對(duì)高黏性溶液對(duì)浮子流量計(jì)流量影響的實(shí)驗(yàn)研究卻鮮見(jiàn)于文獻(xiàn)中;同時(shí)在實(shí)際工程中所測(cè)量的高黏滯性流體多是高分子聚合物黏性溶液。鑒于上述原因,本文研究了寬黏度范圍高分子聚合物黏性溶液對(duì)于浮子流量計(jì)測(cè)量的影響。
2研究背景
2.1浮子流量計(jì)的工作原理
浮子流量計(jì)基本工作原理如圖1所示,在垂直的錐形管中放置一阻力件。也就是浮子。當(dāng)流體自下而上流過(guò)錐管時(shí),由于浮子的阻塞作用使其上下表面產(chǎn)生了壓差,從而對(duì)浮子形成一個(gè)向上的作用力，如果所測(cè)流體是黏性流體,還應(yīng)該考慮浮子表面的黏性摩擦力。當(dāng)升力大于浮子本身的重力時(shí),浮子向上運(yùn)動(dòng),浮子與錐形管之間的環(huán)通面積增大,流速減低,此時(shí)浮子對(duì)流體阻力作用減小。當(dāng)浮子受到的合力達(dá)到平衡時(shí)，浮子就會(huì)停留在某一高度。
經(jīng)典的浮子流量計(jì)流量公式為:
式中:Qv.為浮子流量計(jì)的體積流量,m3/s,a為流量系數(shù);D0為浮子最大迎流面的直徑,m;h為浮子在錐管中流向位置,m;φ為錐形管夾角,();vf為浮子體積,m3;ρf,為浮子的材料密度,kg/m3;ρ為流體密度,kg/m3;Af為浮子垂直于流向的最大截面積,m2。
浮子流量計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn):工作可靠、易于安裝和維.護(hù),對(duì)于直讀式儀表無(wú)須電源與轉(zhuǎn)換電路,擅于測(cè)量微小流量,適用于高溫高壓條件,能測(cè)量腐蝕性氣體和液體。此外,浮子流量計(jì)有黏度補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn),即合理設(shè)計(jì)浮子形狀可以減小測(cè)量過(guò)程中介質(zhì)黏度對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量的影.響,從而保證在某一黏度范圍內(nèi),浮子流量計(jì)測(cè)量誤差能夠滿(mǎn)足使用要求。所以,本文在研究高分子聚合物黏性溶液對(duì)浮子流量計(jì)影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,總結(jié)了減小流體黏性對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量影響的浮子結(jié)構(gòu)，并分析了該類(lèi)特征結(jié)構(gòu)能夠減小流體黏性對(duì)其測(cè)量影響的原理。
2.2高分子聚合物溶液黏性特征
黏性產(chǎn)生于流體輸運(yùn)特性中的動(dòng)量輸運(yùn),牛頓首先根據(jù)剪切流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出在流體內(nèi)部存在剪切速率γ時(shí),作用在與該速度梯度方向垂直的單位面積上剪切應(yīng)力τ與r之間的關(guān)系式:
當(dāng)式(2)中的》為常數(shù)時(shí),符合這一規(guī)律的流體即被稱(chēng)為牛頓流體;如果η不是常數(shù)，稱(chēng)該流體為非牛頓流體。高分子聚合物溶液就是典型的非牛頓流體。非牛頓流體又可分為假塑性流體膨脹性流體和賓漢流體,圖2給出了牛頓流體與非牛頓流體的剪切流動(dòng)曲線。
圖2中通過(guò)原點(diǎn)的曲線1是牛頓流體的流動(dòng)曲線;曲線2表示流體黏度隨剪切率的增加而減小，稱(chēng)為剪切變稀,這種流體稱(chēng)為假塑性流體,幾乎絕大多數(shù)的高分子聚合物濃溶液與熔體屬于假塑性流體;曲線3表示流體的黏度隨著剪切速率的增加而增加,稱(chēng)為剪切變稠.這種流體稱(chēng)為膨脹性流體;曲線4表示流體在流動(dòng)前存在一個(gè)屈服力,只有當(dāng)剪切力大于屈服力時(shí)才出現(xiàn)流動(dòng),這種流體被稱(chēng)之為賓漢流體。膨脹性流體與賓漢流體在高分子流體中較為少見(jiàn),故本文重點(diǎn)研究假塑性高分子聚合物流體對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量的影響。需要指出的是,在剪切速率(或剪切力)非常小的極限情況下,假塑性非牛頓流體的黏度接近于常數(shù),同時(shí)也是該假塑性非牛頓流體的最大黏度值，該值被稱(chēng)為零剪切黏度或絕對(duì)黏度,用o表示。
3實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
3.1實(shí)驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)以甲基纖維素(methylcelulose)的水溶液作為被測(cè)介質(zhì),該溶液是顏色透明的假塑性高分子聚合物黏性流體,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變甲基纖維素在水中的溶解比.例來(lái)控制黏性溶液的黏度大小。由于甲基纖維素黏性溶液密度與水非常接近(常溫下為1001kg/m3),故在變黏度實(shí)驗(yàn)中不需要對(duì)甲基纖維素水溶液的流量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行密度修正。
為了檢驗(yàn)浮子流量計(jì)受到高分子聚合物黏性溶液的影響程度,實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)水溶液標(biāo)定各個(gè)浮子流量計(jì)的浮子流向高度與流量的關(guān)系，即在錐管的不同高度上標(biāo)注對(duì)應(yīng)刻度流量值,使用已標(biāo)定好的浮子流量計(jì)測(cè)量零剪切黏度?0的高分子聚合物黏性溶液,由于黏性的影響,浮子流量計(jì)所測(cè)量黏性溶液的流量值與真實(shí)流量值有一定誤差,測(cè)量誤差按式(3)計(jì)算:
式中:K01為第1個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)浮子流量計(jì)測(cè)量零剪切黏度等于no時(shí)黏性溶液的測(cè)量誤差;e.,為第i個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在同行程n次測(cè)量中浮子流量計(jì)測(cè)量零剪切黏度等于》。時(shí)黏性溶液流量的算術(shù)平均值;erw,為第i個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在同行程n次測(cè)量中浮子流量計(jì)測(cè)量水流量的算術(shù)平均值;Qum為浮子流量計(jì)流量測(cè)量的上限值;K,為浮子流量計(jì)測(cè)量零剪切黏度等于n。時(shí)黏性溶液的測(cè)量誤差．
當(dāng)各浮子流量計(jì)測(cè)量同一黏度的高分子聚合物溶液時(shí),測(cè)量誤差越大說(shuō)明浮子流量計(jì)受到的流體黏性影響越大;反之,說(shuō)明該浮子流量計(jì)受到的流體黏性影響越小。
3.2.實(shí)驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)是在流體其他特性(溫度壓力、密度)完全.相同的情況下，僅改變被測(cè)聚合物溶液的黏度,對(duì)多個(gè)黏.度點(diǎn)進(jìn)行浮子流量計(jì)的特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置可以采用稱(chēng)重法和標(biāo)準(zhǔn)表法測(cè)量,稱(chēng)重法的精度為±0.2%，標(biāo)準(zhǔn)表法測(cè)量中所采用標(biāo)準(zhǔn)表是受流體黏度影響小的羅茨流量計(jì),標(biāo)準(zhǔn)表法的精度為地±05%,圖3是實(shí)驗(yàn)用流量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖。
3.3實(shí)驗(yàn)中使用的浮子流量計(jì)
選用DN25mm口徑浮子流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其中選用了5個(gè)形狀不同浮子組成的浮子流量計(jì)，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)比較不同浮子流量計(jì)受黏度影響的規(guī)律,其中個(gè)別形狀的浮子分別用2種不同材料各制造1個(gè)，以檢驗(yàn)不同密度的浮子受黏性影響程度,圖4給出各種類(lèi)型浮子的形狀示意圖。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
4.1黏性溶液對(duì)不同材質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量的影響
為了檢驗(yàn)高分子聚合物黏性溶液對(duì)不同密度材質(zhì)的浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)流量測(cè)量的影響,本實(shí)驗(yàn)分別制造了鋁和不銹鋼2種材料的CF__C和DF__C型浮子,同時(shí)保證不同材料的浮子具有相同的尺寸和表面光潔度。根據(jù)式(3)得到鋁質(zhì)與不銹鋼質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量黏性溶液流量的測(cè)量誤差對(duì)比,如圖5和圖6所示。
從圖5和圖6可以看出,黏性流體對(duì)流體測(cè)量的影響是不可忽視的,其中最大黏度測(cè)量誤差接近于16%,最小測(cè)量誤差也在2%左右。在鋁質(zhì)與不銹鋼質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量聚合物黏性溶液的測(cè)量誤差比較圖中,可以很清楚地看出鋁制浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)的測(cè)量誤差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于同體積的不銹鋼質(zhì)浮子構(gòu)成的浮子流量計(jì),特別是DF__C型的對(duì)比更明顯,這表明流體黏性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響與浮子密度有密切的關(guān)系,同一體積下,浮子密度越大,質(zhì)量越大，黏性力對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量性能的影響越小。
4.2黏性溶液對(duì)不同形狀浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)測(cè)量的影響
比較圖5與圖6還可以發(fā)現(xiàn),在使用同一種材質(zhì)但不同形狀的浮子時(shí),浮子流量計(jì)受到的黏性影響也不同,這說(shuō)明改變浮子的形狀也可以減小黏性對(duì)浮子的影響,所以本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)試了黏性溶液對(duì)5種不同形狀的不銹鋼質(zhì)浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)的影響,實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了6組高黏度的甲基纖維素溶液,它們的零剪切黏度分別137MPa·s495MPa·s~1215MPa.s~1692MPa.s.1962MPa·s和2692MPa·s,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以獲得各種形狀的浮子所構(gòu)成浮子流量計(jì)的黏度修正曲線,如圖7~11所示,浮子流量計(jì)的鉆性修正曲線反映了當(dāng)浮子在錐管中保持一定流向高度時(shí)，所通過(guò)的不同黏度流體的流量變化曲線。
圖7~11中可以看出黏度修正曲線隨黏度變化的基本規(guī)律,即浮子流量計(jì)在測(cè)量黏度大于水的黏性溶液時(shí)，保持錐管中浮子在一定高度,流量計(jì)所測(cè)黏性溶液的實(shí)際流量要小于水的實(shí)際流量,而且隨著黏度的增加.修正曲線中流量值繼續(xù)變小。從流體力學(xué)角度出發(fā),一般把物體在黏性流體中運(yùn)動(dòng)所受的阻力分為摩擦阻力和壓差阻力,前者是表面切應(yīng)力的貢獻(xiàn),后者則為表面壓強(qiáng)的作用,表面切應(yīng)力與表面壓強(qiáng)的大小都與黏性有關(guān),由于浮子受到向上的升力就是摩擦力與壓差的合力,一般情況下,流體介質(zhì)黏性越大,浮子受到的流向黏性力就越大,所以隨著流體黏性的增加,浮子平衡在一定高度所需要的流量就越小。
從圖7~11中可以發(fā)現(xiàn),在ACF型與DFL型浮子流量計(jì)的黏度修正曲線中,流量值并非隨著黏度增加而單調(diào)減小，修正曲線在零剪切黏度小于500MPa，s區(qū)間出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,顯示出低于水溶液黏度的低黏流體黏度修正曲線特征。
根據(jù)邊界層理論,無(wú)論是層流還是湍流,由于黏性而使物面邊界產(chǎn)生邊界層(渦層).當(dāng)黏性流體流過(guò)浮子最.大截面后突然流動(dòng)“分離”。這樣產(chǎn)生的分離層迅速形成1個(gè)或多個(gè)渦,這樣的渦可以滯留在物體后部。也就是說(shuō).流體流經(jīng)浮子與管壁之間的環(huán)隙時(shí).環(huán)隙速度增大，流體在截面內(nèi)均勻分布,當(dāng)截面沿流動(dòng)方向突然增大的時(shí)候,由于分離形成了滯留在浮子最大截面后部渦流區(qū),從而形成逆流,使浮子整體表面所受到的黏性摩擦力在流動(dòng)方向減小,甚至與浮子上升方向相反，這樣就減小了黏性摩擦力的作用,部分抵消了流體黏性作用于流向方向的壓差阻力.對(duì)于ACF型和DF._L型浮子來(lái)說(shuō).ACF型浮子具有特別鋒利的邊緣和靠前的分離點(diǎn),流體流過(guò)最大截面后。在浮子后部出現(xiàn)劇烈的旋渦,故反向于流向的黏性力很顯著:而DF.L型雖然較ACF型分離點(diǎn)靠后,但其后部處在渦流區(qū)的浮子表面積要大于ACF型.浮子的表面積(DF.L型為圓柱,而ACF型為圓臺(tái)).所以其在旋渦區(qū)所受反向黏性摩擦合力并不比ACF的小,故在2種類(lèi)型的浮子修正曲線中,出現(xiàn)了在較低黏度區(qū)域的曲線抬高現(xiàn)象。分析ACF型、DF.L型浮子流量計(jì)測(cè)量黏度大于500MPa.:以上的黏性溶液所得黏性曲線以及其他3種類(lèi)型浮子的黏性曲線,雖然在渦旋區(qū)內(nèi)的:淳子摩擦阻力有減小黏性影響的效果。但浮子上下表面受黏性介質(zhì)影響的壓差阻力比摩擦阻力更顯著，即摩擦阻力與壓差阻力的流向合力還是隨黏性的增加而增大;同時(shí)由于黏性增大.在同樣的入口流量下.雷諾數(shù)減小。弱化了經(jīng)過(guò)分離點(diǎn)形成的旋渦.旋渦作用于浮子表面且反向于流向的黏性摩擦力減小,所以在大于500MPa.s的高黏度范圍,浮子流量計(jì)黏性修正曲線中的流量隨著黏度的增加而單調(diào)減小.
根據(jù)測(cè)量結(jié)果得到上述各種類(lèi)型浮子所構(gòu)成的流量計(jì)測(cè)量不同黏度溶液時(shí)的測(cè)量誤差,如表1所示.
從表1可以看出受黏度影響最小的是ACF型與DF.L型浮子,它們測(cè)量最大黏性溶液時(shí)測(cè)量誤差分別25.8256%和297902%;平均測(cè)量誤差分別為135734%和114269%;如果測(cè)量黏度在495MPa.s范圍的聚合物黏性溶液.2種浮子的測(cè)量誤差可以控制在5%。對(duì)于DFL型浮子,其測(cè)量誤差只有28234%。而上述ACF型與DFL型浮子能夠減黏的機(jī)理正是在討論黏性修正曲線出現(xiàn)抬升現(xiàn)象時(shí)所給出的分析,兩方面的數(shù)據(jù)都驗(yàn)證了渦旋對(duì)浮子流量計(jì)的減黏作用。
同時(shí)表1也表明,盡管浮子流量計(jì)所測(cè)量的高分子聚合物溶液黏性很高,但任意一種形狀浮子所構(gòu)成的浮子流量計(jì)在測(cè)量零剪切黏度為2692MPa.s范圍內(nèi)的甲基纖維素溶液的測(cè)量誤差最大不超過(guò)37%。浮子流量計(jì)在測(cè)量聚合物溶液過(guò)程中的黏度不敏感性來(lái)源于假塑性聚合物溶液的剪切稀化現(xiàn)象和浮子流量計(jì)特有的工作原理,即當(dāng)流體流經(jīng)浮子與錐管之間的狹小空間時(shí),強(qiáng)烈的剪切使假塑性流體溶液中的粒子發(fā)生定向、伸展變形或分散等運(yùn)動(dòng),使流動(dòng)阻力減少,從而使浮子流量計(jì)在測(cè)量聚合物黏性溶液流量時(shí)受到了較小的黏性影響;同時(shí)也說(shuō)明采用優(yōu)化浮子結(jié)構(gòu)來(lái)減小黏性流體對(duì)浮子流量計(jì)測(cè)量影響的方法是可行的。
5結(jié)論
(1)浮子流量計(jì)在測(cè)量高分子聚合物黏性流體溶液時(shí)會(huì)受到液體粘性力的影響,其表現(xiàn)為浮子流量計(jì)的指示流量大于實(shí)際流量,而且隨著液體黏度的增加，這種影響也隨之增大。
(2)利用浮子流量計(jì)測(cè)量高分子黏性溶液時(shí),同一體積的浮子,其密度越大,浮子流量計(jì)受到的黏性影響.越小。
(3)浮子迎流面的邊緣越鋒利分離點(diǎn)越靠前,受到的黏性影響就越小;由于邊界層分離產(chǎn)生了渦旋場(chǎng),當(dāng)浮.子分離點(diǎn)后部的表面積越大,浮子流量計(jì)受到的流體黏性影響越小.
(4)高分子聚合物溶液流經(jīng)浮子與錐管之間的狹小空間時(shí)，強(qiáng)烈的剪切使高分子黏性溶液中的粒子發(fā)生向伸展變形或分散等運(yùn)動(dòng)，從而使流動(dòng)阻力減少，
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