毛細管粘度計的工作原理及創(chuàng)新設計.doc

毛細管粘度計的工作原理及創(chuàng)新設計姓名：王根華 學號：1411081569 學院：機械工程與力學學院 班級：14機械研究生2班1.工作原理設不可壓縮的粘性流體在水平管中作穩(wěn)態(tài)層流流動，并設所考察的部位遠離管道進、出口，且流動為沿軸向(z方向)的一維流動，如下圖所示:物理模型：1. 穩(wěn)態(tài)、層流、不可壓縮牛頓型流體2. 沿方向的一維流動， ，3. 遠離進出口柱坐標下的連續(xù)性方程： （1）式中， 分別是流速在柱坐標（r,z）方向上的分量?？珊喕癁椋海ǎ┲鴺说哪尉S-斯托克斯方程：r分量 （）分量 （）z分量 （）現在先考察z方向的奈維-斯托克斯方程。對于一維穩(wěn)態(tài)流動，式（5）中的，由于流動對于管軸對稱，。將以上條件及（2）得到 （6）同理，對、r方向的奈維-斯托克斯方程化簡，可得 （7） （8）從式（6）、（7）、（8）可以看出，該式左側的僅是z的函數；而右側僅是r的函數。因此，式（6）可寫成常微分方程，即 （9）上式為右側僅為z的函數，左側僅為r的函數，而r、z又為獨立變量，故兩邊應等于同一常數才成立，即 （10）邊界條件：BC1：時，BC2：時，對（10）式積分得 （C1 為常數） （11）由邊界條件BC1得， 對此式積分得 （C2 為常數） （12）由邊界條件BC2得，把上式代入（12）得， （13） （14） （15） 再求平均流速。體積流率微元 把（15）式代入此式得， （16）再求單位長度的壓降D （17） （18） 對于一支毛細管粘度計其流體流過的長度是確定的，直徑是確定的，再測定其流過的壓降和體積流率，即可由式（18）求得粘度。值得注意的是流體在毛細管的流動應是層流。2.創(chuàng)新設計有上述的推理我們得出了毛細管測粘儀的工作原理，有公式我們可以發(fā)現，液體黏度是有很多的鏈進行控制盒影響的，我們知道一個任務的解的物理效應或者說決定著他的物理方程如果是已知的，特別是當參與的物理的量有若干個時，可以導出不同的解，這些解釋通過保持其余的影響鏈不變，而只分析其中的一各自變量和一個因變量之間的相互關系而得到的，基于此，我們做了如下改進：一個運用壓力差來衡量粘度的解，保持Q,R,L 不變，則壓力差DP正比于h，通過儀表顯示的壓力差的大小即可推算出液體粘度的大小。如下圖：在量筒筒壁兩側安裝超聲波收/發(fā)器,超聲波束與落球運動速度的夾角為。,超聲波在被測液體中的傳播速度為c,落球落速為“。在此前提下,推導多普勒頻移與落球落速之間的關系式。如圖2.7所示,當超聲波束在量筒軸線上遇到一顆剛性落球,且該落球以速度“沿著量筒軸線運動。對超聲波發(fā)射器而言,該落球以速度“cos。離去,所以落球收到的超聲波頻率介應低于發(fā)射的超聲波頻率fl,根據多普勒公式推導可知,這種情況可以看作是聲源不動,而觀察者在運動,故由公式(2.25)得到落球所接收到的超聲波頻率為人一發(fā)射超聲波的頻率;a一超聲波束與量筒軸線夾角;c一流體中聲速;落球又將超聲波束散射給接收器,由于它以“cosa的速度離開接收器,所以接收器收到的超聲波頻率又一次降低,這種情況可看作是聲源運動而觀察者靜止的情況,依據式(2.17),幾可表示為:將幾的表達式帶入(2.35)式,可得到:接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之間的頻率差,即多普勒頻移琴可由上式計算。由于超聲波的速度遠大于落球落速,所以上式可寫成式由上式可得落球速度為由以上方程可知,當超聲收/發(fā)器、量筒條件及被測介質等參數確定以后,多普勒頻移與液體粘度成反比,所以由測量頻移量夢就可以根據式(2.40)得到液體粘度值。根據方案二的測速方程可知,落速測量受到液體中聲速c的影響。一般來說,液體中聲速與介質溫度、介質組分有關,難以保持常數。為避免這一影響,這里采用桶外聲楔結構,使超聲波束先通過聲楔及桶壁再進入液體l1v】。設聲楔材料中的聲速為。1,流體中聲速為。,聲波由聲楔進入液體的入射角為刀,在被測液體中的折射角為中,超聲波束與落球落速夾角為a,如圖2.8所示,根據折射原理,存在:所以有代入式子可得由此可見,采用聲楔結構以后