毛細(xì)管粘度計(jì)的工作原理及創(chuàng)新設(shè)計(jì).doc

毛細(xì)管粘度計(jì)的工作原理及創(chuàng)新設(shè)計(jì)姓名：王根華 學(xué)號(hào)：1411081569 學(xué)院：機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 班級(jí)：14機(jī)械研究生2班1.工作原理設(shè)不可壓縮的粘性流體在水平管中作穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，并設(shè)所考察的部位遠(yuǎn)離管道進(jìn)、出口，且流動(dòng)為沿軸向(z方向)的一維流動(dòng)，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(dòng)， ，3. 遠(yuǎn)離進(jìn)出口柱坐標(biāo)下的連續(xù)性方程： （1）式中， 分別是流速在柱坐標(biāo)（r,z）方向上的分量?？珊喕癁椋海ǎ┲鴺?biāo)的奈維-斯托克斯方程：r分量 （）分量 （）z分量 （）現(xiàn)在先考察z方向的奈維-斯托克斯方程。對(duì)于一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，式（5）中的，由于流動(dòng)對(duì)于管軸對(duì)稱，。將以上條件及（2）得到 （6）同理，對(duì)、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(cè)的僅是z的函數(shù)；而右側(cè)僅是r的函數(shù)。因此，式（6）可寫成常微分方程，即 （9）上式為右側(cè)僅為z的函數(shù)，左側(cè)僅為r的函數(shù)，而r、z又為獨(dú)立變量，故兩邊應(yīng)等于同一常數(shù)才成立，即 （10）邊界條件：BC1：時(shí)，BC2：時(shí)，對(duì)（10）式積分得 （C1 為常數(shù)） （11）由邊界條件BC1得， 對(duì)此式積分得 （C2 為常數(shù)） （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(duì)于一支毛細(xì)管粘度計(jì)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(xì)管的流動(dòng)應(yīng)是層流。2.創(chuàng)新設(shè)計(jì)有上述的推理我們得出了毛細(xì)管測粘儀的工作原理，有公式我們可以發(fā)現(xiàn)，液體黏度是有很多的鏈進(jìn)行控制盒影響的，我們知道一個(gè)任務(wù)的解的物理效應(yīng)或者說決定著他的物理方程如果是已知的，特別是當(dāng)參與的物理的量有若干個(gè)時(shí)，可以導(dǎo)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(gè)因變量之間的相互關(guān)系而得到的，基于此，我們做了如下改進(jìn)：一個(gè)運(yùn)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(cè)安裝超聲波收/發(fā)器,超聲波束與落球運(yùn)動(dòng)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(dǎo)多普勒頻移與落球落速之間的關(guān)系式。如圖2.7所示,當(dāng)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(yùn)動(dòng)。對(duì)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(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率fl,根據(jù)多普勒公式推導(dǎo)可知,這種情況可以看作是聲源不動(dòng),而觀察者在運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)而觀察者靜止的情況,依據(jù)式(2.17),幾可表示為:將幾的表達(dá)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(jì)算。由于超聲波的速度遠(yuǎn)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(dāng)超聲收/發(fā)器、量筒條件及被測介質(zhì)等參數(shù)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(mèng)就可以根據(jù)式(2.40)得到液體粘度值。根據(jù)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(zhì)溫度、介質(zhì)組分有關(guān),難以保持常數(shù)。為避免這一影響,這里采用桶外聲楔結(jié)構(gòu),使超聲波束先通過聲楔及桶壁再進(jìn)入液體l1v】。設(shè)聲楔材料中的聲速為。1,流體中聲速為。,聲波由聲楔進(jìn)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(jù)折射原理,存在:所以有代入式子可得由此可見,采用聲楔結(jié)構(gòu)以后