一种气泡黏度场和压力场的测算方法与流程

1.本发明涉及流体测算技术领域，尤其涉及一种气泡黏度场和压力场的测算方法。


背景技术：

2.非牛顿流体泡状流广泛存在于石油、化工、矿物加工、生物制药和生命科学等工程领域。准确测量和理解气泡周围压力场和黏度场的分布，对于理解气泡动态意义重大。直接测量运动气泡周围的压力场和黏度场是非常困难的，所以可以借助流体力学知识，通过测量运动气泡周围的速度场来获得其周围压力场和黏度场的分布。对于运动气泡周围速度场的准确测量，可借助粒子成像测速仪(piv)来完成。然而粒子成像测速仪的测速原理是在被流场中加入微米级的示踪粒子，用示踪粒子的速度来表征流体的速度；鉴于示踪粒子的粒径非常小，随着界面干净气泡的运动，部分示踪粒子会吸附在气泡表面，从而改变气泡的界面性质，进而影响气泡的水动力学特性；再加上实际运动气泡强的强反光特性，大大增加了piv测速难度；因此，准确测量非牛顿流体中界面干净运动气泡周围黏度场和压力场是一个技术难题，必须着手解决。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：利用同直径颗粒模拟污染气泡，再根据干净气泡和污染气泡雷诺数的关系，建立同直径颗粒与干净气泡的雷诺数的关系；测量流体经过固定颗粒周围流场来表征干净运动气泡周围流场，进而根据流体力学知识计算得到干净运动气泡周围的黏度场和压力场。
4.本发明所采用的技术方案是：一种气泡黏度场和压力场的测算方法包括以下步骤：
5.s1、寻找直径相同界面干净气泡和界面污染气泡雷诺数的关系，首先建立气泡雷诺数reb与气泡终端上浮速度ub关系，当流体静止时reb与ub关系式(1)所示：
[0006][0007]
式中，db为气泡直径，ρf为流体密度，ρb为气泡密度，cd为阻力系数，g为重力加速度，μ为流体黏度，reb为气泡雷诺数；
[0008]
首先界面干净的气泡与界面受污染气泡其界面性质是不同的，界面干净的气泡其界面为可滑移界面，而界面受污染气泡其界面则为无滑移界面；界面性质的差异导致两种气泡在流体中运动时受到的阻力不同，直径相同时界面干净的气泡在流体中运动时所受到的阻力小于界面受污染气泡；两者运动阻力的不同导致其终端速度不同；直径相同时，界面干净气泡其终端上浮速度大于界面受污染气泡的终端上浮速度，故两种气泡的雷诺数不
同，即界面干净气泡的雷诺数大于界面受污染气泡的雷诺数；
[0009]
s2、计算界面干净气泡和界面受污染气泡在流体中运动阻力系数cd，界面干净气泡阻力系数如式(2)所示：
[0010][0011]
界面受污染气泡阻力系数如式(3)所示：
[0012][0013]
s3、计算界面干净气泡和界面受污染气泡雷诺数的关系式；
[0014]
将式(2)代入式(1)计算界面干净气泡雷诺数re
b干净
关于其物性参数db、μ、ρf、ρb、g的表达式，得到：
[0015][0016]
将式(3)代入式(1)计算界面污染气泡雷诺数re
b污染
关于其物性参数db、μ、ρf、ρb、g的表达式，得到：
[0017][0018]
通过式(4)和式(5)得界面干净气泡雷诺数与界面污染气泡雷诺数的关系，如式(6)所示：
[0019][0020]
其中，x为界面干净气泡雷诺数与界面污染气泡雷诺数的比值；
[0021]
要测算雷诺数为re
b干净
界面干净气泡周围的黏度场和压力场，只要测雷诺数为干净气泡雷诺数1/x倍的界面污染气泡周围的黏度场和压力场；
[0022]
s4、利用同直径颗粒模拟污染气泡，建立同直径颗粒雷诺数与干净气泡的雷诺数的关系，同直径颗粒雷诺数公式为re
p
＝ρd
p
u/μ0；
[0023]
式中re
p
表示颗粒雷诺数；ρ表示密度，kg/m3；d
p
表示颗粒直径，mm；u表示速度，m/s；μ0表示流体的零剪切黏度，pa
·
s；
[0024]
要测界面污染气泡周围的黏度场和压力场，考虑到污染气泡界面性质与颗粒相同，皆为不可滑移界面，且在流体中直径相同的界面受污染气泡上浮所产生的扰动与流体中同直径颗粒下降产生的扰动相同，故可用颗粒代替界面受污染气泡；鉴于颗粒运动时其周围流场随其一起运动，在piv相机静止的情况下不易测量运动颗粒周围的流场，若使相机随颗粒一起运动操作又过于复杂，于是让颗粒静止不动，流体以均匀平行流的形式流过颗粒；对于给定的同直径颗粒，要测量给定雷诺数下的流场，为了便于固定颗粒，可根据雷诺数公式re
p
＝ρd
p
u/μ0将颗粒直径d
p
放大，颗粒速度u即流体速度随之减小，这样既便于固定颗粒，也可以减小固定颗粒的钢针对颗粒附近流场的影响；
[0025]
s5、通过测量装置测量雷诺数为re
p
颗粒周围的速度场；
[0026]
s6、根据颗粒周围的速度场计算颗粒周围的黏度场；
[0027]
由公式(9)求解应变率张量，由公式(10)求出应变率张量的第二不变量ⅱ2d
；
[0028][0029][0030]
式中，γ
ij
为应变率张量，其中i为作用面法向，j表示真实指向；x，y，z分别代表了不同的坐标方向。
[0031]
再代入本构方程(11)求出黏度：
[0032][0033]
式中，μ
∞
为无穷剪切黏度，μ0为流体的零剪切黏度，无穷剪切黏度以及零剪切黏度均可通过旋转流变仪测得，m为流变指数，其大小取决于液相自身属性，剪切稀化流体的流变指数取值小于1，流变指数越小剪切稀化效应越强；η表示黏度；求出颗粒周围流场每个点的黏度η即可得到颗粒周围的黏度场；
[0034]
s7、根据颗粒周围的黏度场和颗粒雷诺数re
p
计算颗粒周围的压力场；
[0035]
由公式(12)和公式(13)求出应力τ与应变量γ和黏度之间的关系：
[0036][0037][0038]
将应力τ
i,j
的结果代入动量方程公式(14)中得公式(15)：
[0039][0040][0041]
取压力梯度向量场的散度得到压力泊松方程(16)：
[0042][0043]
将式(15)代入式(16)，从而得到压力场，计算过程如下：
[0044][0045]
进一步的，测量雷诺数为re
p
颗粒周围的速度场包括如下步骤：
[0046]
s51、首先通过测量装置固定颗粒，在固定颗粒周围分别通过不透明流体和透明流体进行分析；
[0047]
s52、当固定颗粒周围通过不透明流体时，采用超声波速度剖面仪，只能测得颗粒y轴方向上的速度，采用fft与pod进行滤波处理，并利用泰勒冻结假说，将测得的一点y方向的速度v关于时间t的函数转换为关于距离的函数，即根据泰勒冻结假说公式(7)将求得的速度关于距离的函数代入连续性方程公式(8)，得出x方向的速度u(x,y)，即得到了颗粒附近的流体速度场；
[0048]
v(x,y)＝v(x
0-us·
t,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0049][0050]
s53、当固定颗粒周围通过透明流体时，采用piv进行测量，直接得出刚性球体颗粒附近示踪粒子在x方向与y方向上速度关于距离的变化量，得出颗粒附近的流体速度场；
[0051]
进一步的，测量装置包括储水箱、水泵、涡轮流量计、入口整流器和测量槽道本体，储水箱底部通过水管与水泵入水口连通，水泵出水口通过水管与涡轮流量计入口连通，流量计出口通过水管与入口整流器连通，入口整流器与测量槽道本体入口通过法兰连通，测量槽道本体出口通过水管与储水箱连通；测量槽道本体与入口整流器出口设置有多孔管板，通过多孔管板使流体通过测量槽道本体时形成均匀的平行流，提高测量的准确性；
[0052]
进一步的，测量槽道本体包括通过法兰相互连通的入口稳定段槽道、测量段槽道、出口段槽道和出口箱，入口整流器与入口稳定段槽道通过法兰连接，出口箱与储水箱通过水管连通；测量段槽道中间设置有固定钢针，固定钢针两端通过螺纹固定在测量段槽道两平行面壁上，避免遮挡，有利于激光发生器观测颗粒；固定钢针采用方形结构，防止颗粒旋转影响测量结果；测量段槽道的槽道采用方型槽道，便于piv设备的测量。
[0053]
进一步的，测量段槽道的槽道宽度大于64倍的颗粒直径，避免壁面效应对测量结果的影响。
[0054]
首先通过离心泵抽取储水箱中的流体，按照测量设定的流场速度u让流体流过整流板，确保进入流场的流体为均匀的平行流，然后经过入口段槽道，确保流场稳定后流入测量段槽道，在测量段槽道使用piv进行测量颗粒附近的流场速度，然后流体流出测量段槽道经过出口段槽道再次流入储水箱。
[0055]
本发明的有益效果是：
[0056]
1、通过测固定颗粒周围流场来表征干净运动气泡周围流场，避免在流体中加入的
示踪粒子影响界面干净气泡的界面性质从而影响测量结果，也避免了实际操作中气泡的强反光对仪器的损伤；
[0057]
2、根据雷诺数公式可任意调节颗粒的直径大小，调大颗粒直径更有利于固定颗粒，同时也减小了固定钢针对颗粒附近流场的影响；
[0058]
3、通过入口整流器和多孔管板使流体通过测量槽道本体时形成均匀的平行流；采用方型细钢针固定颗粒，防止颗粒旋转影响测量结果；
[0059]
4、测量段槽道8的槽道宽度大于64倍的颗粒直径，避免壁面效应对测量结果的影响。
附图说明
[0060]
图1是本发明的气泡黏度场和压力场的测算方法流程图；
[0061]
图2是本发明的测量装置系统连接图；
[0062]
图3是本发明的测量装置结构示意图；
[0063]
图4是本发明测量段槽道结构图；
[0064]
图5是本发明测量段槽道中固定钢针结构图；
[0065]
其中，1、储水箱，2、水泵，3、涡轮流量计，4、入口整流器，5、多孔管板，6、连接法兰，7、入口稳定段槽道，8、测量段槽道，9、出口段槽道，10、出口箱，11、固定钢针。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0067]
如图1所示，一种气泡黏度场和压力场的测算方法包括以下步骤：
[0068]
s1、寻找直径相同界面干净气泡和界面污染气泡雷诺数的关系，首先建立气泡雷诺数reb与气泡终端上浮速度ub联系，当流体静止时reb与ub关系式(1)所示：
[0069][0070]
式中db为气泡直径，ρf为流体密度，ρb为气泡密度，cd为阻力系数，g为重力加速度，μ为流体黏度，reb为气泡雷诺数；
[0071]
本实施例中，测量一个界面干净直径为1mm的气泡在剪切稀化液体中运动时其周围的粘度场与压力场，已知液体的密度ρf为1000kg/m3，零剪切粘度μ0为0.001kg/m
·
s,气泡密度ρb忽略不计，重力加速度g为9.81m/s2；
[0072]
s2、计算界面干净气泡和界面受污染气泡在流体中运动阻力系数cd，界面干净气泡阻力系数如式(2)所示：
[0073]
[0074]
界面受污染气泡阻力系数如式(3)所示：
[0075][0076]
s3、计算界面干净气泡和界面受污染气泡雷诺数的关系式；
[0077]
将式(2)代入式(1)计算界面干净气泡雷诺数re
b干净
关于其物性参数db、μ、ρf、ρb、g的表达式，得到：
[0078][0079]
将式(3)代入式(1)计算界面污染气泡雷诺数re
b污染
关于其物性参数db、μ、ρf、ρb、g的表达式，得到：
[0080][0081]
通过式(4)和式(5)得界面干净气泡雷诺数与界面污染气泡雷诺数的关系，如式(6)所示：
[0082][0083]
其中，x为界面干净气泡雷诺数与界面污染气泡雷诺数的比值；
[0084]
要测算雷诺数为re
b干净
界面干净气泡周围的黏度场和压力场，只要测雷诺数为干净气泡雷诺数1/x倍的界面污染气泡周围的黏度场和压力场；
[0085]
首先将公式(2)界面干净气泡的阻力系数代入公式(1)中求出界面干净气泡的雷诺数表达式(17)：
[0086][0087]
然后将公式(3)界面受污染气泡的阻力系数公式代入公式(1)中求出界面受污染气泡的雷诺数表达式(18)，此处为了易于区分直接用re
p
表示re
b污染
[0088][0089]
通过求解式(17)和(18)得界面干净气泡雷诺数与界面受污染气泡的雷诺数比例关系式(19)
[0090]
reb＝2.76re
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0091]
s4、利用同直径颗粒模拟界面污染气泡，建立同直径颗粒雷诺数与干净气泡的雷诺数的关系，同直径颗粒雷诺数公式为re
p
＝ρd
p
u/μ0，故要测量雷诺数为re
b干净
的界面干净气泡周围的黏度场和压力场，只要测量雷诺数为re
p
的颗粒周围的黏度场和压力场；
[0092]
s5、通过测量装置测量雷诺数为re
p
的颗粒周围的速度场；
[0093]
s6、根据颗粒周围的速度场计算颗粒周围的黏度场；
[0094]
s7、根据颗粒周围的黏度场和颗粒雷诺数re
p
计算颗粒周围的压力场；
[0095]
s53、当固定颗粒周围通过透明流体时，采用piv进行测量，直接得出刚性球体颗粒附近示踪粒子在x方向与y方向上速度关于距离的变化量，得出颗粒附近的流体速度场；
[0096]
如图2所述为测量装置系统连接图，通过在流场中加入示踪粒子，然后利用激光发生器对流场就行打光，再用高速相机进行画面的采集，得出颗粒附近的流场结果图。
[0097]
测量装置，如图3所示，储水箱1、水泵2、涡轮流量计3、入口整流器4和测量槽道本体，储水箱1底部通过水管与水泵2入水口连通，水泵2出水口通过水管与涡轮流量计3入口连通，流量计3出口通过水管与入口整流器4连通，入口整流器4与测量槽道本体的入口通过法兰6连通，测量槽道本体出口通过水管与储水箱1连通；测量槽道本体与入口整流器4出口设置有多孔管板5，通过多孔管板5使流体通过测量槽道本体时形成均匀的平行流；测量槽道本体包括通过法兰6相互连通的入口稳定段槽道7、测量段槽道8、出口段槽道9和出口箱10，入口整流器4与入口稳定段槽道7通过法兰6连接，出口箱10与储水箱1通过水管连通；如图4所示，测量段槽道8中间设置有固定钢针11，固定钢针11两端通过螺纹固定在测量段槽道8两平行面壁上，避免遮挡激光，有利于高速相机观测颗粒；如图5所示，固定钢针11采用方形结构，防止颗粒旋转影响测量结果；测量段槽道8槽道采用方型槽道，便于piv设备的测量；
[0098]
进一步的，测量段槽道8的槽道宽度大于64倍的颗粒直径，避免壁面效应对测量结果的影响。
[0099]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。