流體流量壓強(qiáng)測量

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1、D3流體測量D3.1引言本章介紹本教程涉及的主要流動參數(shù)，如流體粘度、壓強(qiáng)、流速和流量等的測量方法及流場顯示技術(shù)，并以介紹測量方法的原理和功能為主。流體測量中用到的流體力學(xué)原理是流體力學(xué)基礎(chǔ)理論的重要應(yīng)用之一，只有在搞清基本原理的基礎(chǔ)上才能正確掌握流體測量方法，認(rèn)識每種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性。同時也介紹流體測量的新技術(shù)和新進(jìn)展，以拓寬視野。學(xué)習(xí)本章內(nèi)容應(yīng)同流體力學(xué)實驗課結(jié)合起來進(jìn)行。D3.1.1流體粘度測量1、毛細(xì)管粘度計毛細(xì)管粘度計是根據(jù)圓管層流的泊肅葉定律設(shè)計的。圖D3.1.1是一種毛細(xì)管粘度計的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)被測流體定常地流過毛細(xì)管時，流量Q與兩端壓差Δp、管徑R、毛細(xì)管長度l及

2、流體粘度μ有關(guān)，在確定的毛細(xì)管上測量一定壓差作用下的流量，即可計算流體粘度μ：（C3.4.11）對非牛頓流體，用毛細(xì)管粘度計測得的是表觀粘度μa。毛細(xì)管粘度計結(jié)構(gòu)簡單，價格低，常用于測定較高切變率（>102s–1）下的粘度。缺點(diǎn)是試測費(fèi)時間，不易清洗，由于管截面上切變率分布不均勻、試樣液面表面張力及管徑突然變化對結(jié)果可造成誤差。主要適用于牛頓流體。有的毛細(xì)管粘度計采用平板狹縫式。圖3.1.1圖3.1.22、落球粘度計剛性圓球在粘性流體中勻速運(yùn)動時阻力可用斯托克斯公式計算，相應(yīng)的粘度為（D3.1.1）上式中d為圓球直徑，W為圓球重量，V為運(yùn)動速度。落球粘度計就是根據(jù)此原理設(shè)計的，方法

3、簡單易行，但精度較低，一般用于粘度較大的流體(圖3.1.2)。3、同軸圓筒粘度計同軸圓筒粘度計屬于旋轉(zhuǎn)式粘度計，結(jié)構(gòu)如圖D3.1.3所示，主要由兩個同軸的圓柱筒組成，筒間隙內(nèi)充滿被測液體。當(dāng)外圓筒以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，間隙內(nèi)液體作純剪切的庫埃塔流動，因此同軸圓筒粘度計又稱庫埃塔粘度計。測量外圓筒的旋轉(zhuǎn)角速度ω及內(nèi)圓筒的偏轉(zhuǎn)力矩M可計算液體的粘度（或表觀粘度）及其他參數(shù)。對牛頓流體，ω-M曲線是通過原點(diǎn)的斜直線，由其斜率M/ω計算粘度（D3.1.2）式中a、b、h分別為內(nèi)外圓筒半徑和液柱高。對非牛頓流體測得的是表觀粘度μa，并可根據(jù)測得的流動曲線計算非牛頓流體的各種特征參數(shù)。圓筒粘度計

4、的主要缺點(diǎn)是圓筒間隙內(nèi)的切變率分布不均勻，為減少測量非牛頓流體表觀粘度的誤差,間隙應(yīng)盡量小。圓筒粘度計適用于各種粘度、各種切變率的牛頓粘度測量，容易校準(zhǔn)，使用方便，得到廣泛應(yīng)用。圖D3.1.3圖D3.1.44.圓錐平板粘度計圓錐平板粘度計的構(gòu)造如圖D3.1.4所示，錐角很大的圓錐頂點(diǎn)與水平平板接觸，圓錐軸與平板保持垂直，圓錐與平板間的小楔角內(nèi)充滿被測液體。當(dāng)圓錐和平板中的一個以恒角速度旋轉(zhuǎn)時，測量另一個受到的力矩M可計算被測液體的粘度（D3.1.3）式中為楔角，a為液體接觸部分平板半徑。對非牛頓流體，測得流動曲線后，可計算有關(guān)參數(shù)。圓錐平板粘度計除具有測量范圍大，試樣用量少、容易清

5、洗等優(yōu)點(diǎn)外，最大的優(yōu)點(diǎn)是楔角內(nèi)被測液體中切變率處處相等，因此最適宜測量觸變性流體的滯后環(huán)和應(yīng)力衰減曲線。它的缺點(diǎn)是調(diào)整比圓筒粘度計困難，轉(zhuǎn)速較高時慣性力、二次流和溫度等因素可能引起誤差。除了圓錐平板形式外還有圓錐—圓錐，環(huán)--環(huán)等形式的粘度計，原理相似。D3.2壓強(qiáng)測量D3.2.1靜止流體壓強(qiáng)測量1.單管測壓計當(dāng)測量液體壓強(qiáng)時，常直接將一根上端敞口的細(xì)管放到被測位置（如圖D3.2.1中A點(diǎn)），細(xì)管即構(gòu)成單管測壓計。在B點(diǎn)壓強(qiáng)的作用下，被測液體自由液面在細(xì)管中上升高度（h）稱為測壓管高度（D4.3.3）該位置的壓強(qiáng)即為ρgh。當(dāng)測量負(fù)壓氣體時，常將測壓管倒置插入液體貯罐中，液體被吸入

6、細(xì)管內(nèi)，液面上升高度為h，氣體壓強(qiáng)為-ρgh，如圖D3.2.2所示。單管測壓方法受種種條件限制，僅在少數(shù)情況下使用。圖D3.2.1圖D3.2.22.U形管測壓計U形管內(nèi)裝有密度為ρm的液體，未測壓時兩支管中液面均受大氣壓作用,保持同一水平面。測壓時，被測壓強(qiáng)p作用于一支管液面上，兩支管液面不再維持水平，如圖D3.2.3示，在等壓面1-1上p+ρgh1=ρmgΔhp=g(ρmΔh-ρh1)(D4.3.4)式中h1恒為正，Δh的符號當(dāng)右支液面高于左支時為正，反之為負(fù)。當(dāng)測量氣體時，ρgh1可忽略不計。圖D3.2.33.U形管差壓計將U型管兩端分別接入兩個被測壓強(qiáng)（p1、p2）時，構(gòu)成一

7、差壓計，可測量兩壓強(qiáng)之差值（p1-p2）。當(dāng)測液體壓差時用D3.2.4A形式，當(dāng)測氣體壓差時用圖D3.2.4B形式，均忽略氣體重量。所測壓差為Δp=p1-p2=ρmgΔh(D4.3.5)D3.2.4AD3.2.4B4.微壓計當(dāng)被測壓強(qiáng)或壓差很微小時，為提高測量精度應(yīng)使用微壓計。圖D3.2.5傾斜式微壓計原理如圖D3.2.5所示,實際上是將U形管的一支加粗成一容器，另一支傾斜放置（傾斜角α），容器截面積（A1）比管截面積(A2)大得多，只要容器中液面略有變化（h1）便引