专利名称：圆环流动装置测量流体流变特性的新方法
技术领域：
本发明对圆环流动装置测量流体流变特性提供新的方法，其特别适用于石油的流变特性的测量。
测量流体流动的流变特性有多种多样的方法。最通用的是毛细管粘度计，但它不易测量到流体的触变性；另一种方法是利用各种旋转粘度计，它可以测量流体的触变性，但流体运动的状态与通常管道的流动有区别。为此，近年来利用流体(石油)在环中的流动来测量其流变特性。
环管循环流动观测装置是1998年研制的。在水平圆环管道内安装一个驱动塞，通过环管外的磁铁带动管内的驱动塞，使流体在管内循环流动。整个环管置于控温的水槽内，并通过安装在管壁上的传感器来获取温度和不同驱动速度下压力随时间变化的数据，确定流体的流变参数。
转轮流动模拟器是在1998年从国外引进的。该装置由轮形钢管、转轮驱动单元、控制室、控温测试室、加热制冷系统等组成。转轮垂直安装，在转轮转动过程中，轮管内的流体可在重力的作用下仍留在底部。由于轮管内壁和液体之间存在摩擦力，轮内液体的重心偏向转轮转动方向，当轮内液体偏心达到一定程度时，重力和摩擦力达到平衡。为维持转轮的转速恒定，需要外界提供给转轮一定的扭矩来平衡轮内液体与轮管内壁面间摩擦力产生的摩擦扭矩。通过测定摩擦扭矩，计算出轮内液体相对流动摩阻因子，再根据磨擦因子计算出流动时的原油表观粘度。
上述两种不同的圆环管道流变测量装置尽管是一种创新，但各自也有其不足。
第一种环管，若驱动塞太大，则容易磨损；太小，则管道与驱动塞的缝隙中会产生回流。驱动塞的存在也影响流场的速度分布，这将对流变特性测定结果产生影响。用于驱动的强磁场可能会对某些非牛顿流体的流变特性产生影响等等。
第二种环管，转轮转动后，流体会粘附在轮管内壁，而且流体的粘附量除了与转轮速度有关，还与流体粘度有关。这就使液体在圆环内的长度(既管内全部充满流体的长度)缩短了不少，致使计算磨擦阻力产生很大误差。可惜这种装置没有把这一不足加以克服(因为装置管壁的不透明性一即使管壁透明，有些流体如石油粘附管壁后也使管内全部充满流体的长度不可见)，这样对测量石油流变特性会产生很大误差。
本发明的目的在于提供一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，用这种测量方法来测量流体、特别是石油的流变特性，具有简单、快速和精度高的优点。
本发明的进行方案为一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中包括下列步骤1.制作不同的直径D0＝2R0、圆管内径d0＝2r0的金属或塑料圆环；2.圆环壁面在平均半径R0处，按流体力学要求安装压力传感器；3.将圆环装置置于可控恒温小室中，在圆环壁面安装温度传感器，以测量实验时圆环内流体的温度；4.圆环转动由无级变速装置控制转速；5.注入被测流体于圆环下半部；由R0α0＝ab＝ef，得α0＝ab/R0＝ef/R0；6.恒温小室一段时间后，选择所需要的温度和转速；启动电动机带动圆环内流体运动，记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线；7.由圆环圆周和实测沿周压力变化曲线，得到两者的比例系数k2πR0＝k(l3＋l4＋l5)＝k(c′d′＋d′g′＋g′c′)，8.由于圆环最低点d是对应压力峰值点d′，离d点和圆环周长的1/4，可以由压力曲线对应关系，由a′和f′点找到a和f点；前液面c点，于实测沿周压力变化曲线上c′对应；这样可以得到前液面角βf＝π/2－α0－cd/P0＝π/2－α0－k(c′d′/R0)；如果正好注入半圆环液体，βf＝π/2－cd/P0＝π/2－k(c′d′/R0)；
9.后液面g点，与实测沿周压力变化曲线g′对应，后液面角βr＝dg/R0－π/2＋α0＝k(d′g′/R0)－π/2＋α0；如果正好注入半圆环液体βr＝k(d′g′/R0)-π/2；10.通过h的两个公式，可以得到流体的流变特性；壁面剪应力按定义为τs=μ∂u∂r|r=r0]]>对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面u＝u(r)；动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上流体的摩擦阻力平衡hπγ02ρg=τs(L3+L4)2πγ0]]>或者τs=hγ0ρg2(L3+L4)]]>其中r0为圆环管内半径，ρ为流体密度，g为重力加速度；通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理；∂u∂r|r=r0=3n'+1n'umaxr0]]>式中n′为流体特征参数；n′由τs～4umax/r0双对数坐标曲线图解出；则非牛顿流体的表观粘度有μ=τsdudr|r=r0]]>特别地，对于牛顿流体层流流动粘度有公式11.通过扭矩M测量，也可以得到流体的流变特性；由充液圆环转动时的扭矩M减去相同转速下无液空环转动时扭矩M0和液体与圆环管内摩擦力产生的磨擦扭矩相平衡由实测压力曲线可得c′d′＋d′g′，τs由流体流动流态不同有不同表示。 则τs=M-M02πr0(cd+dg)R0=M-M02πr0(c'd'+d'g')kR0]]>对于非牛顿流体∂u∂r|r=r0]]>同样可以由10得到；则μ=τs∂u∂r|r=r0]]>特别地，对于层流流动τs=μ∂u∂r|r=r0=μ4r0]]>流体的粘度 12.引进范宁摩擦因fF和圆环内流体填充系数ψτs=12fFpumax2]]>摩擦扭矩有M-M0=4τsπ2r04R02ψ]]>
则摩擦因子为fF=M-M02π2rR02ψpumax2]]>当流动为层流时，摩擦因子为fF=16Re=32μr0pumax]]>Re为雷诺数，则粘度为μ=M-M016π2R02umacψ]]>从而我们能够得到圆环内液体填充系数ψ的准确值。
其中步骤5中所说的比例系数K为k＝2πR0/(l3＋l4＋l5)＝2πR0/(c′d′＋d′g′＋g′c′)。
其中步骤10中所说的流体特征参数n′，其公式为n'=dlnτsdln4umaxr0]]>其中步骤10所说的流动粘度公式μ=R0Sin(βr-α0)+R0Sin(βf+α0)15ρgr0w4π2R02ω0(ππ-βf+βr-2α0)]]>其中步骤12所说的填充系数ψ的公式为ψ=L3+L4L+L4+L5=cd+dg2π=k(c'd'+d'g')2π]]>
为进一步说明本发明的技术特征，以下结合附图对本发明作一详细的描述，其中

图1为本发明垂直旋转圆环流动测量装置的结构示意图；图2圆环沿周压力曲线图；图3证明圆环上特征点与测量压力曲线对应点的线路示意图。
我们设计了垂直(有一定倾角也可以)旋转圆环流动测量装置见图1所示。
这种测量装置用来测量流体，特别是石油的流变特性，有很大优点。对流体不管其成份的不同，如石油含蜡的多少；生产、运输过程中温度的不同，施加添加剂——降凝剂和减阻剂的不同。尤其是这种装置更具有模拟实际管道流态的特性，特别是对那些流变特性与其所受流动剪切变化历史有关的非牛顿流体，能任意延长观测流体的时间和流动的距离，从而满足有记忆的非牛顿流体管流实验的需要。由于被测流体限制在密封容器中，有使易挥发的流体(石油)的轻组分不易分离出来等等优点。
图1装置几何尺寸及其特征点和速度剖面(图中，圆环静止时湿周长度L1＝bcde，干周长度L2＝efghab；圆环转动时剩储流体长度L3＋L4＝cd＋dg，有液体粘附的圆环长度L5＝ghabc)被测流体注于圆环下半部bcde；圆环转动以后，前液面由b降至c，后液面由e升至g。由于圆环转动以后，流体会粘附在圆环管内壁上，因此bc＞eg。前后液面产生的高度差h是驱动内部流动的动力。经理论分析，从几何学上和动力学上考虑各有h＝h1＋h2＝R0Sin(βr－α0)＋R0Sin(βf＋α0) 其中“°”表示角的度数；未加“°”表示弧度。
我们已经通过流体在圆环中转动的实际测量，得到圆环沿周压力曲线(图2)。
图1中的静止时，圆环湿周长度L1＝bcde，干周长度L2＝efghab，分别对应图2中的静止时圆环湿周长度l1＝b′c′d′e′，干周长度l2＝e′fg′h′a′b′。图1中的转动后圆环下半部剩储流体长度，即L3＝cd，L4＝dg，L3＋L4＝cg，和有液体粘附圆环的长度，即L5＝gabc；对应图2中的曲线圆环剩储流体长度l3＋l4＝c′d′＋d′g′，有液体粘附的圆环长度l5＝g′a′b′c′。整个圆环长度L1＋L2＝2πR0，(R0为圆环平均半径)。对照实测沿周压力变化曲线。整个圆环长度为2πR0，对应测量图为c′d′＋d′g′＋g′a′b′c′＝l3＋l4＋l5。因为2πR0＝k(l3＋l4＋l5)，则k＝2πR0/(l3＋l4＋l5)。那么，我们从实测图上的测量点，可以对应圆环上的对应位置。
图2转动圆环沿周压力实测结果(实线)和静止圆环沿周压力曲线(虚线)结合理论分析我们可以得到流体流变特性。
动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上液体的摩擦阻力平衡hπr02ρg=τs(L3+L4)2πr0]]>或者τs=hr0ρg2(L3+L4)]]>其中r0为圆环管内半径，ρ为流体密度，g为重力加速度，壁面剪应力按定义为τs=μ∂u∂r|r=r0]]>对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面u＝u(r)。通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理。有∂u∂r|r=r0=3n'+1n'umaxr0]]>式中n′为流体特征参数，通常有关系式n'=dlnτsdln4umacr0]]>n′由τs～4umax/r0双对数坐标曲线图解出。则非牛顿流体的表观粘度有μ=τsdudr|r=r0]]>对于牛顿流体层流流动其值等于2πR0ωm/15r0。其中ωm是圆环每分钟转动的周数。
上半环粘附液体的厚度Δr＝r0－r由下式得到。[L1-(L3+L4)]πr02=[2πR0-(L3+L4)](πr02-πr2)]]>这样我们可以由计算机直接记录(或其他记录装置记录)圆环转动时，圆环壁面上压力传感器测量到的沿周压力变化曲线，提高判别圆环上特征点位置的分辨率，从面提高测量流体(石油)流变特性的精度；或者利用测定摩擦扭矩的数值，从沿周压力变化曲线中正确地确定流体(石油)剩储长度(有流体充满的长度)，从而提高测量流体(石油)的流变特性精度。
具体测量方法为1.制作不同的直径D0＝2R0、圆管内径d0＝2r0的金属或塑料圆环；2.圆环壁面在平均半径R0处，按流体力学要求安装压力传感器；3.将圆环装置置于可控恒温小室中，在圆环壁面安装温度传感器，以测量实验时圆环内流体的温度；4.圆环转动由无级变速装置控制转速；5.注入被测流体于圆环下半部；由R0α0＝ab＝ef，得α0＝ab/R0＝ef/R0；6.恒温小室一段时间后，选择所需要的温度和转速；启动电动机带动圆环内流体运动，记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线
7.由圆环圆周和实测沿周压力变化曲线，得到两者的比例系数k2πR0＝k(l3＋l4＋l5)＝k(c′d′＋d′g′＋g′c′)，8.由于圆环最低点d是对应压力峰值点d′，离d点和圆环周长的1/4，可以由压力曲线对应关系，由a′和f点找到a和f点；前液面c点，于实测沿周压力变化曲线上c′对应；这样可以得到前液面角βf＝π/2－α0－cd/R0＝π/2－α0－k(c′d′/R0)；如果正好注入半圆环液体，βf＝π/2－cd/R0＝π/2-k(c′d′/R0)；9.后液面g点，与实测沿周压力变化曲线g′对应，后液面角βr＝dg/R0－π/2＋α0＝k(d′g′/R0)－π/2＋α0；如果正好注入半圆环液体βr＝k(d′g′/R0)－π/2；10.通过h的两个公式，可以得到流体的流变特性；壁面剪应力按定义为τs=μ∂u∂r|r=r0]]>对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面u＝u(r)；动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上流体的摩擦阻力平衡hπr02ρg=τs(L3+L4)2πr0]]>或者τs=hr0ρg2(L3+L4)]]>其中r0为圆环管内半径，ρ为流体密度，g为重力加速度；通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理；∂u∂r|r=r0=3n'+1n'umaxr0]]>
式中n′为流体特征参数；n′由τs～4umax/r0双对数坐标曲线图解出；则非牛顿流体的表观粘度有μ=τsdudr|r=r0]]>特别地，对于牛顿流体层流流动粘度有公式11.通过扭矩M测量，也可以得到流体的流变特性；由充液圆环转动时的扭矩M减去相同转速下无液空环转动时扭矩M0和液体与圆环管内摩擦力产生的磨擦扭矩相平衡由实测压力曲线可得c′d′＋d′g′，τs由流体流动流态不同有不同表示。 则τs=M-M02πr0(cd+dg)R0=M-M02πr0(c'd'+d'g')kR0]]>对于非牛顿流体∂u∂r|r=r0]]>同样可以由10得到；则μ=τs∂u∂r|r=r0]]>特别地，对于层流流动τs=μ∂u∂r|r=r0=μ4r0]]>流体的粘度 12.引进范宁摩擦因fF和圆环内流体填充系数ψτs=12fFpumax2]]>摩擦扭矩有M-M0=4τsπ2r0R02ψ]]>则摩擦因子为fF=M-M02π2rR02ψpumax2]]>当流动为层流时，摩擦因子为fF=16Re=32μr0pumax]]>Re为雷诺数，则粘度为μ=M-M016π2R02umaxψ]]>从而我们能够得到圆环内液体填充系数ψ的准确值。
其中步骤5中所说的比例系数K为k＝2πR0/(l3＋l4＋l5)＝2πR0/(c′d′＋d′g′＋g′c′)。
其中步骤10中所说的流体特征参数n′，其公式为n'=dlnτsdln4umaxr0]]>其中步骤10所说的流动粘度公式μ=R0Sin(βr-α0)+R0sin(βf+α0)15ρgr024π2R02ωm(ππ-βf+βr-2α0)]]>其中步骤12所说的填充系数ψ的公式为ψ=L3+L4L+L4+L5cd+dg2π=k(c'd'+d'g')2π]]>这样我们就可以对各种流体在多种多样的流动状态加以模拟测量。特别地对于层流流动有更明确的表达式来表示。测量精度的提高都依赖于记录压力曲线特征点位置精确的确定。
1、圆环流动的理论分析因圆管半径r0和圆环半径R0之比r0/R0＜＜1，可以不考虑由于弯管引起的二次流作用。又因为储存流体的长度相当长，所以流体流动的端缘效应相对很小，可以不考虑。特别地，这样对于牛顿流体层流流动可以把圆环内的流动近似地看成直管内的一个均匀平动运动和一个反向的Poiseuille流动的迭加u(r)umax-Umax(1-r2r02)]]>且Umax＝2umax，则当r＝r*＝r0/√2＝0.707r0，u＝0；当0＜r＜r*，靠近圆环中心部分，u＝umax(l-r2/r*2)＜0；当r*＜r＜r0，靠近圆环管壁部分，u＝umax(l-r2/r*2)＞0；u(r)=umax(2r2r02-1)]]>
实际上umax是圆环的转动线速度。
其中ωs和ωm分别为圆环每秒钟和每分钟转的圈数。这样u(r)=πR0ωm30(2r2r02-1)]]>∂u∂r|r=r0=2πR015r0ωm]]>圆环转动以后，前后自由液面产生高度差h，它是驱动内部流动的动力。因管子内径d0足够大，可以不考虑两自由面产生的表面张力差。从几何学上和动力学上考虑各有h＝h1＋h2＝R0Sin(βr-α0)＋R0Sin(βf＋α0) 2、圆环流动测量过程我们的装置是塑料管制成的，圆环半径R0＝310mm，塑料管内半径r0＝10mm，采用灵敏精确的压力传感器测量，实验在室温下进行。转速由电动机调速用高性能数字式变频器调控，每分钟转数ωm由大到小，当ωm＝7时，雷诺数Re＝2272。实验时ωm≤7，是在层流状态下进行的。
图2的实线是由X-Y记录仪对转动圆环内水的流动，所作记录的沿圆环壁面压力变化曲线；对于其它任何流体，测量数值可以不同，但其物理变化规律是一样的。
对注入圆环的流体多少进行过比较，如果正好为半个圆环，确实更有利于实验测量。
3、圆环上特征点与测量压力曲线对应点的证明图1中圆环上的d点对应图2中测量曲线上的d′点是通过在圆环上的d点设置一条线路来证明的。图3是线路示意图，在圆环d点装压力传感器处接一导线，当d点转到圆环最低点时，与这里装的导线接通，图2下面的电压波形图就显示这一结果。
圆环上c和g点，对应压力曲线上的c和′g′点，可以用类似的方法证明。当然，在圆环转动时压力传感器显示接触到流体和离开流体也是显而易见的。
圆环上的a和f点，对应图2测量曲线上的a′和f点是显然的，圆环上的b和c点，对应图2测量曲线上的b′和c′点也是显然的。
4、圆管中的壁面剪切速率我们采用极坐标(r，θ，z)，r是管道的半径方向，z是管道轴线方向，θ是管道的圆周角。在完全发展的管流中有τrz=12rΔpL]]>其中τrz是r，z方向的剪切应力，Δp是管道二端之压力降，L为管道长度。用管壁处的边办条件代入上式可得τrz=rr0τs]]>其中τs为管壁处之切应力，r0为管道半径。
体积流量QQ=∫002πrudr]]>其中u是管道中的速度，u是r的函数。将上式分部积分可得Q=π(ur2|0r0-∫00r2du)]]>对于无弹性的非牛顿流体本构方程为τrz=F(∂u∂r)]]>管中完全发展的层流，其剪切速率-du/dr，即上式之反函数如下-dudr=f(τrz)]]>并考虑管壁无滑移的情况，经简单推导可得Qπr03=1τs3∫0sτrz2f(τrz)dτrz]]>则管壁的剪切应力可知τs=r0Δp2L]]>对Q/(πr03)表达式两边乘以τs2，并对τs微分，再利用方程-du/dr＝f(τrz)，可得管壁的剪切速率如下-(dudr)r=r0=(3Q+ΔpdQdΔP)/(8πr0)]]>此方程又可写成如下形式dudr|r=r0=3n'+1n'·Vr0]]>其中n'=dlnτsdln(4Q8πr03)=dlnτsdln(4Vr0)]]>这里V是平均速度。
权利要求
1.一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中包括下列步骤(1)制作不同的直径D0＝2r0、圆管内径d0＝2r0的金属或塑料圆环；(2)圆环壁面在平均半径R0处，按流体力学要求安装压力传感器；(3)将圆环装置置于可控恒温小室中，在圆环壁面安装温度传感器，以测量实验时圆环内流体的温度；(4)圆环转动由无级变速装置控制转速；(5)注入被测流体于圆环下半部；由R0α0＝ab＝ef，得α0＝ab/R0＝ef/R0；(6)恒温小室一段时间后，选择所需要的温度和转速；启动电动机带动圆环内流体运动，记录由压力传感器测量到的圆环壁上的压力变化曲线；(7)由圆环圆周和实测沿周压力变化曲线，得到两者的比例系数k2πR0＝k(l3＋l4＋l5)＝k(c′d′＋d′g′＋g′c′)，(8)由于圆环最低点d是对应压力峰值点d′，离d点和圆环周长的1/4，可以由压力曲线对应关系，由a′和f′点找到a和f点；前液面c点，于实测沿周压力变化曲线上c′对应；这样可以得到前液面角βf＝π/2－α0－cd/R0＝π/2－α0－k(c′d′/R0)；如果正好注入半圆环液体，βf＝π/2－cd/R0＝π/2－k(c′d′/R0)；(9)后液面g点，与实测沿周压力变化曲线g′对应，后液面角βr＝dg/R0－π/2＋α0＝k(d′g′/R0)－π/2＋α0；如果正好注入半圆环液体βr＝k(d′g′/R0)－π/2；(10)通过h的两个公式，可以得到流体的流变特性；壁面剪应力按定义为τs=μ∂u∂r|r=r0]]>对于不同的流体在管道中流动有不同的速度剖面u＝u(r)；动力学上考虑前后液面的高度差产生的压差必须和壁面上流体的摩擦阻力平衡hπr02ρg=τs(L3+L4)2πr0]]>或者τs=hγ0ρg2(L3+L4)]]>其中r0为圆环管内半径，ρ为流体密度，g为重力加速度；通常对于一般非牛顿流体，由于粘度经过较长时间的流动才有变化，因此我们可以准定常的来处理；∂u∂r|r=r0=3n'+1n'Umaxr0]]>式中n′为流体特征参数；n′由τs～4umax/r0双对数坐标曲线图解出；则非牛顿流体的表观粘度有μ=τsdudr|r=r0]]>特别地，对于牛顿流体层流流动粘度有公式(11)通过扭矩M测量，也可以得到流体的流变特性；由充液圆环转动时的扭矩M减去相同转速下无液空环转动时扭矩M0和液体与圆环管内摩擦力产生的磨擦扭矩相平衡由实测压力曲线可得c′d′＋d′g′，τs由流体流动流态不同有不同表示。 则τs=M-M02πr0(cd+dg)R0=M-M02πr0(c'd'+d'g')kR0]]>对于非牛顿流体∂u∂r|r=r0]]>同样可以由10得到；则μ=τs∂u∂r|r=r0]]>特别地，对于层流流动τs=μ∂u∂r|r=r0=μ4r0]]>流体的粘度 (12)引进范宁摩擦因fF和圆环内流体填充系数ψτs=12fFpumax2]]>摩擦扭矩有M-M0=4τsπ2r0R02ψ]]>则摩擦因子为fF=M-M02π2rR02ψpumax2]]>当流动为层流时，摩擦因子为fF=16Re=32μγ0pumax]]>Re为雷诺数，则粘度为μ=M-M016π2R02umaxψ]]>从而我们能够得到圆环内液体填充系数ψ的准确值。
2.根据权利要求1所述的一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中步骤5中所说的比例系数K为k＝2πR0/(l3＋l4＋l5)＝2πR0/(c′d′＋d′g′＋g′c′)。
3.根据权利要求1所述的一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中步骤10中所说的流体特征参数n′，其公式为n'=dlnτsdln4umaxr0]]>
4.根据权利要求1所述的一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中步骤10所说的流动粘度公式μ=R0Sin(βr-α0)+R0Sin(βf+α0)15ρ024π2R02ωm(ππ-βf+βr-2α0)]]>
5.根据权利要求1所述的一种圆环流动装置测量流体流变特性的新方法，其特征在于，其中步骤12所说的填充系数ψ的公式为ψ=L3+L4L+L4+L5=cd+dg2π=k(c'd'+d'g')2π]]>
全文摘要
本发明对圆环流动装置测量流体流变特性提供新的方法,其特别适用于石油的流变特性的测量。由计算机直接记录下半部装有液体的圆环转动时,圆环壁面上压力传感器测量到的沿周压力变化曲线,提高判别圆环上特征点位置的分辨率,从而提高测量流体流变特性的精度;或者利用测定摩擦扭矩的数值,从沿周压力变化曲线中正确地确定流体剩储长度,从而提高测量流体的流变特性精度。
文档编号G01N11/10GK1332366SQ00109778
公开日2002年1月23日 申请日期2000年7月6日 优先权日2000年7月6日
发明者钱民全, 张劲军, 范椿, 张帆, 赵笃凤, 彭荣蕤, 钱大兴 申请人:中国科学院力学研究所, 石油大学(北京)