专利名称：一种适用于高温高压流体粘性测量的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于高温高压流体粘性测定的方法及装置，主要应用于航空航天、能源、汽车、以及石油化工等缺少流体物性数据的相关领域。
背景技术：
20世纪80年代末，为了在21世纪取得军事和商业竞争的优势，美国防部实施了一项由空军、海军、陆军、国家航空航天局(NASA)、国防部预研局(DARPA)和工业界共同参与的国家级战略性发动机技术预研计划，即综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划。 IHPTET计划从1988年开始实施，原计划2002年结束，现延迟到2005年结束，总的目标是到 21世纪初使航空发动机的能力较1988年的水平提高1倍。具体指标是推重比提高100%、 耗油率降低30%、成本减少35% W4]。为进一步适应21世纪技术进步和航空发展的需要， 在IHPTET计划取得部分重要成果的基础上，美国政府又及时制订了 IHPTET的延续计划，即 VAATE计划。该计划自2003年实施，至2017年结束，其目标主要包括(1)发动机的推重比增加200%，即发动机推重比达到20的量级；(2)发动机耗油率降低25%，即达到0. 645的水平；C3)发动机维修、保养等费用降低60%。基于IHPTET和VAATE这两项计划的巨额资金投入，美国军方及各科研机构针对碳氢燃料的制取以及将其作为冷源时的流动、换热、结焦等特性进行了深入研究，包括燃料的选择、燃料的热沉、换热特性、结焦沉积特性以及高温裂解产物分析等。但是，由于这些研究工作涉及国家军事及战略发展计划，相关的研究结果大多数都处于保密状态，很少有详细的可用数据和资料公开发表。随着近几年来高超声速飞行器的兴起，碳氢燃料作为冷源吸热冷却逐渐在航空航天领域内得到重视。超临界压力下碳氢燃料的传热研究正在越来越多的受到业内学者的密切关注。但关于碳氢燃料的物性尤其是在高温高压下的物性研究还极其缺乏。目前，流体粘度测量目前最常用的方法主要有毛细管法、振动法和旋转法等。其中毛细管法被视为是常温下粘性测量最准确的方法，该方法粘性测量范围很广，适用于液体和气体的粘性测量，但其在高温下的应用受到了仪器折射率以及如何探测其月牙形表面等问题的影响；振动法同样具有很高的精度，但其只能用于较窄的粘性测量，但其最大优点是选择的振动材料范围很广，因此可以用于低粘性高温融体的粘性测量；旋转法由于在驱动测试装置运行时存在摩擦损失，因此该方法主要适用于高粘性流体的测量，比如融化后的玻璃及熔渣等。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，结合未来碳氢燃料在航空航天领域的需求， 并针对碳氢燃料在高温高压下粘性变化范围很大的特点，基于毛细管测量流体粘性的原理并对其进一步扩展，提出了高温高压下流体的粘性测量方法并研制了测量装置，为碳氢燃料的科学研究及工程应用提供有力依据。
—种适用于高温高压流体粘性测量的装置，包括测量系统、加热保温系统和数据采集系统；测量系统分为短管测量部分和长管测量部分；短管测量部分包括短管实验段、第一集箱、第二集箱、第一转接头、第二转接头、第一引管、第二引管、一个四通接头、第一三通接头、第一取压管和第二取压管；短管实验段的两端分别与第一集箱、第二集箱连接；在第一集箱、第二集箱中的稳定段开有沉孔，第一集箱的沉孔用于连接取第一压管，第二集箱的沉孔用于连接取第二压管，第一压管和第二压管与压差变送器的高低压端口进行连接；第一集箱与第一转接头之间、第二集箱与第二转接头之间均放有金属网；第一转接头与第一引管之间、第二转接头与第二引管之间固定连接；第一引管与四通接头中的A2 口连接；第二引管与第一三通接头中的B2 口连接；短管进出口热电偶通入四通接头中的Al 口插入第一引管，并与第一转接头和第一集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与四通接头之间连接；另一个短管进出口热电偶通入第一三通接头中的Bl 口插入第二引管，并与第二转接头和第二集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与三通接头之间连接；四通接头中的A3、A4 口分别为待测流体进口和绝对压力变送器接口；长管测量部分包括作长管、第三集箱、第四集箱、第三转接头、第四转接头、第三引管、第四引管、第二三通接头、第三三通接头、第三取压管和第四取压管；长管的两端分别与第三集箱、第四集箱连接；在第三集箱、第四集箱中的稳定段开有沉孔，第三集箱的沉孔用于连接第三取压管，第四集箱的沉孔用于连接第四取压管；第三取压管、第四压管分别与压差变送器的高低压端口进行连接；第三集箱与第三转接头之间、 第四集箱与第四转接头之间均放有金属网，第三集箱与第三转接头之间、第四集箱与第四转接头之间固定连接；第三引管与第二三通接头中的C2 口进行连接；第四引管与第三三通接头中的D2 口进行连接；短管进出口热电偶通入第二三通接头中的Cl 口插入第三引管，并与第三转接头和第三集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与第二三通接头之间进行连接；另一个短管进出口热电偶通入第三三通接头中的Dl 口插入第四引管，并与第四转接头和第四集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与第三三通接头之间进行连接；第一三通接头和第二三通接头采用导引管进行连接；加热保温系统包括第一保温材料、第二保温材料、高温加热带、第一热电偶信号线和第二热电偶信号线以及温控仪；测量系统组成测试段，第一保温材料包在测试段周围；在第二保温材料和第一保温材料之间缠绕有第一高温加热带；四通接头中的Al 口和第三三通接头中的Dl 口的短管进出口热电偶分别连接第一热电偶信号线和第二热电偶信号线；第一热电偶信号线和第二热电偶信号线接入温控仪中的输入端子，通过输出端子控制加热带的加热功率，使第一热电偶信号线跟第二热电偶信号线中的温度示值相同；数据采集系统实时监控并记录测试段的中压力、压差、流量、温度。一种适用于高温高压流体粘性的测定方法，包括以下几个步骤步骤一准确测量并记录短管实验段长度Lsh t，长管长度Llmg ；步骤二 对待测流体的粘性进行预估，确定该流体的雷诺数为400至1500时不同温度所对应的流量范围；
步骤三对测试段以及压力变送器进行排气处理在测量液体粘性时；步骤四检查压力变送器、热电偶以及温控仪是否工作正常；步骤五测量待测流体粘性首先固定待测流体压力，调节待测流体的流量和温度，以使测试段的进口雷诺数 Re达到预估值400 1500，根据进口温度对温控仪进行设定，让其自动控制加热保温的功率以使测试段出口处的流体温度与进口处流体温度相等；待温度、压力、流量均稳定后，通过数据采集系统记录测试系统中温度、压力和流量值，记录时间大于15s，并通过数据采集系统对其进行平均处理，处理后得到测量段的总流量A、短管实验段的进出口压差APstoP 长管实验段的进出口压差APlmg,根据长短管排粘性测量公式
「一厂d-O"4μ =---
128(汝/U」得到该温度工况下待测流体的粘性，其中L1(mg、Δ Plong分别为长管实验段的平均长度及进出口压差；Lsh。rt、APstot分别为短管实验段的平均管长及进出口压差；ρ为待测流体密度W为测试段的总质量流量；η为管排数目，η ^ 1 ；d为长管、短实验管的平均内径；步骤六改变测试段进口温度，重复步骤五，进行下一温度工况粘性的测量，直至待测流体温度达到所需测量的上限；步骤七调节压力，重复步骤五、步骤六，进行下一个压力工况的粘性测量，直至待测流体压力达到所需测量的上限，由此得到不同压力下流体粘性随温度的变化关系。本发明的优点与积极效果在于(1)采用流动法测定流体的粘性，实验操作简单方便，适用于各种压力及温度下流体粘性的测量，克服了现有毛细管粘度计在高温高压下测量流体粘性的固有缺陷。(2)本发明所述流体粘性测量方法可以根据流体粘性的变化采用不同的管排数目，只要使各支路管的流体雷诺数Re在400 1500的层流范围内即可，因此测量具有很大的灵活性。(3)本发明装置可以测定高温(彡800K)高压(彡IOOMPa)下流体的粘性，测定范围相对现有的实验设备有大幅度提高。
图1为本发明的粘性测量装置(主视图)；图2为本发明的粘性测量装置流向示意图(俯视图)；图3为本发明的粘性测量装置加热保温示意图；图4本发明的粘性测量装置集箱剖视图。图5本发明的单根长短管水粘性标定结果。图6本发明的长短管排水粘性标定结果。图7本发明的长短管排氮气粘性标定结果。图中1-四通接头21--第--引管22--第二二引管23--第iΞ引管
24--第四引管31-第--转接头32-第二二转接头33-第三1转接头
34--第四转接头41--第--集箱42--第:二集箱43--第iΞ集箱
44-第四集箱5-短售
72-第二取压管73-第Ξ
9-导引管10-第
131-第二保温材料132-第—
16-测试段17-第
实验段6-长管71-第一取压管取压管74-第四取压管 8-第二三通接头
-三通接头 11-第三三通接头12-温控仪保温材料 14-高温加热带 15-第一热电偶信号线二热电偶信号线
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明一种适用于高温高压流体粘性测量的装置，包括测量系统、加热保温系统和数据采集系统三部分。如图1所示，测量系统分为短管测量部分和长管测量部分，短管测量部分包括八根短管实验段5、第一集箱41、第二集箱42、第一转接头31、第二转接头32、第一引管21、第二引管22、一个四通接头1、第一三通接头10、第一取压管71和第二取压管72 ；短管测量部分与长管测量部分之间采用导引管9进行连接。该装置必须水平使用以消除重力压降对粘性测量的影响。短管实验段5的两端分别与第一集箱41、第二集箱42之间采用银焊焊接，以防止短管实验段5在焊接的过程中变形而导致测量误差增大；在第一集箱41、第二集箱42中的稳定段开有直径为0. 8mm的取压孔，其取压孔面积仅占当地流道面积的3. 3%，因此对压力测量无影响，在取压孔的基础上开有直径为3mm的沉孔，第一集箱41的沉孔用于连接取第一压管71，第二集箱42的沉孔用于连接取第二压管72，第一压管71、第二压管72与第一集箱41、第二集箱42之间采用氩弧焊焊接；第一压管71和第二压管72通过螺纹卡套式接头分别与压差变送器的高低压端口进行连接；第一集箱41与第一转接头31之间、第二集箱 42与第二转接头32之间均放有3层200目的金属网，并采用氩弧焊焊接；第一转接头31与第一引管21之间、第二转接头32与第二引管22之间均采用氩弧焊焊接；第一引管21与四通接头1中的A2 口采用螺纹卡套进行连接；第二引管22与第一三通接头10中的B2 口采用螺纹卡套进行连接；短管进出口热电偶通入四通接头1中的Al 口插入第一引管21，并与第一转接头31和第一集箱41之间的金属网接触，短管进出口热电偶与四通接头1之间通过螺纹卡套进行连接；另一个短管进出口热电偶通入第一三通接头10中的Bl 口插入第二引管22，并与第二转接头32和第二集箱42之间的金属网接触，短管进出口热电偶与三通接头10之间通过螺纹卡套进行连接；四通接头1中的A3、A4 口分别为待测流体进口和绝对压力变送器接口(如图2所示)。长管测量部分包括作八根长管6、第三集箱43、第四集箱44、第三转接头33、第四转接头34、第三引管23、第四引管M、第二三通接头8、第三三通接头11、第三取压管73、第四取压管74 ；一个八根长管6的两端分别与第三集箱43、第四集箱44之间采用银焊焊接，以防止长管6在焊接的过程中变形而导致测量误差增大；在第三集箱43、第四集箱44中的稳定段开有直径为0. 8mm的取压孔，其取压孔面积仅占当地流道面积的3. 3%，因此对压力测量无影响，在取压孔的基础上开有直径为3mm的沉孔，第三集箱43的沉孔用于连接第三取压管73，第四集箱44的沉孔用于连接第四取压管74，第三取压管73、第四压管74与第三集箱43、第四集箱44之间采用氩弧焊焊接；第三取压管73、第四压管74通过螺纹卡套式接头分别与压差变送器的高低压端口进行连接；第三集箱43与第三转接头33之间、第四集箱44 与第四转接头；34之间均放有3层200目的金属网，并采用氩弧焊焊接；第三转接头33与第三引管23之间、第四转接头34与第四引管M之间均采用氩弧焊焊接；第三引管23与第二三通接头8中的C2 口采用螺纹卡套进行连接；第四引管M与第三三通接头11中的D2 口采用螺纹卡套进行连接；短管进出口热电偶通入第二三通接头8中的Cl 口插入第三引管 23，并与第三转接头33和第三集箱43之间的金属网接触，短管进出口热电偶与第二三通接头8之间通过螺纹卡套进行连接；另一个短管进出口热电偶通入第三三通接头11中的Dl 口插入第四引管对，并与第四转接头34和第四集箱44之间的金属网接触，短管进出口热电偶与第三三通接头11之间通过螺纹卡套进行连接。长管测量部分的连接与短管测量部分的连接形式相同，其间通过第一三通接头10 和第二三通接头8采用导引管9进行连接，连接形式为螺纹卡套式。测试部分装接完毕后，将其接入加热保温系统，如图3所示，加热保温系统包括第一保温材料132、第二保温材料131、高温加热带14、第一热电偶信号线15和第二热电偶信号线17以及温控仪12。图1所示各零件(测量系统)组成测试段16，在测试段16周围包有纳能绝热第一保温材料132 ；在第二保温材料131和第一保温材料132之间缠绕有第一高温加热带14 ；四通接头1中的Al 口和第三三通接头11中的Dl 口的短管进出口热电偶分别连接第一热电偶信号线15和第二热电偶信号线17。第一热电偶信号线15和第二热电偶信号线17接入温控仪12中的输入端子Wl和W2，通过输出端子W3和W4控制加热带14 的加热功率，以使第一热电偶信号线15跟第二热电偶信号线17中的温度示值相同。数据采集系统可以实时监控并记录测试段16的中压力、压差、流量、温度的变化， 其主要包括数据采集卡(用于压力、温度、流量信号的汇集及传输)、数据采集程序(用于压力、温度、流量的数据记录及处理)和电脑(用于数据的储存和程序的运行)。，测量过程中通过不断提高测试段的进口温度和压力获得待测流体在不同温度和压力下的粘性数据。本发明所述所有压力(绝压以及长短管排压差)及流量传感器的输出信号均为 4-20mA的电信号，其温度(测试段的进出口温度)的输出信号为士50mV的电信号，这些信号均通过数据采集卡接入数据采集系统，用于数据的自动处理。所述热电偶采用工业一级K型铠装热电或钼铑-钼热电偶。所述压差变送器精度为0. 065%，量程为40kPa。本发明所述层流条件(用于判别流体的流动状态，流体的流动分为层流和湍流，
当Re大于2300时即为湍流，本发明所述粘性测量方法只能在层流条件下使用)为雷诺数
4m
Re在400-1500的范围内，其中Re = ~^。
μπα所述短管实验段5及长管6需取自同一管材，其内径d彡1. Imm,并且与第一集箱 41、第二集箱42、第三集箱43、第四集箱44焊接前，要通过场发射环境扫描电子显微镜进行内径的精确测量；另外，短管实验段5及长管6在安装前不可有任何变形，否则会增大测量误差。本发明所述测试装置应水平放置以去除重力压降对粘性测量的影响。当用于测量液体粘性吋，第一取压管71、第二取压管72、第三取压管73、第四取压管74的管ロ应朝下以 増大压差测量的准确性；当用于测量气体粘性吋，第一取压管71、第二取压管72、第三取压 管73、第四取压管74的管ロ则应朝上；当所述装置用于超临界压カ流体粘性測量时，测量 温度小于拟临界温度吋，第一取压管71、第二取压管72、第三取压管73、第四取压管74的管 ロ朝下，測量温度大于拟临界温度吋，第一取压管71、第二取压管72、第三取压管73、第四 取压管74的管ロ朝上。 本发明所述第一集箱41、第二集箱42、第三集箱43、第四集箱44 (如图4所示)主管管径d3与短管实验段5或长管实验段6的管内径d之比应满足
权利要求
1.一种适用于高温高压流体粘性测量的装置，其特征在于，包括测量系统、加热保温系统和数据采集系统；测量系统分为短管测量部分和长管测量部分；短管测量部分包括短管实验段、第一集箱、第二集箱、第一转接头、第二转接头、第一引管、第二引管、一个四通接头、第一三通接头、第一取压管和第二取压管；短管实验段的两端分别与第一集箱、第二集箱连接；在第一集箱、第二集箱中的稳定段开有沉孔，第一集箱的沉孔用于连接取第一压管，第二集箱的沉孔用于连接取第二压管，第一压管和第二压管与压差变送器的高低压端口进行连接；第一集箱与第一转接头之间、第二集箱与第二转接头之间均放有金属网；第一转接头与第一引管之间、第二转接头与第二引管之间固定连接；第一引管与四通接头中的A2 口连接；第二引管与第一三通接头中的B2 口连接；短管进出口热电偶通入四通接头中的Al 口插入第一引管，并与第一转接头和第一集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与四通接头之间连接；另一个短管进出口热电偶通入第一三通接头中的Bl 口插入第二引管，并与第二转接头和第二集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与三通接头之间连接；四通接头中的A3、A4 口分别为待测流体进口和绝对压力变送器接口；长管测量部分包括作长管、第三集箱、第四集箱、第三转接头、第四转接头、第三引管、 第四引管、第二三通接头、第三三通接头、第三取压管和第四取压管；长管的两端分别与第三集箱、第四集箱连接；在第三集箱、第四集箱中的稳定段开有沉孔，第三集箱的沉孔用于连接第三取压管，第四集箱的沉孔用于连接第四取压管；第三取压管、第四压管分别与压差变送器的高低压端口进行连接；第三集箱与第三转接头之间、第四集箱与第四转接头之间均放有金属网，第三集箱与第三转接头之间、第四集箱与第四转接头之间固定连接；第三引管与第二三通接头中的C2 口进行连接；第四引管与第三三通接头中的D2 口进行连接；短管进出口热电偶通入第二三通接头中的Cl 口插入第三引管，并与第三转接头和第三集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与第二三通接头之间进行连接；另一个短管进出口热电偶通入第三三通接头中的Dl 口插入第四引管，并与第四转接头和第四集箱之间的金属网接触，短管进出口热电偶与第三三通接头之间进行连接； 第一三通接头和第二三通接头采用导引管进行连接；加热保温系统包括第一保温材料、第二保温材料、高温加热带、第一热电偶信号线和第二热电偶信号线以及温控仪；测量系统组成测试段，第一保温材料包在测试段周围；在第二保温材料和第一保温材料之间缠绕有第一高温加热带；四通接头中的Al 口和第三三通接头中的Dl 口的短管进出口热电偶分别连接第一热电偶信号线和第二热电偶信号线；第一热电偶信号线和第二热电偶信号线接入温控仪中的输入端子，通过输出端子控制加热带的加热功率，使第一热电偶信号线跟第二热电偶信号线中的温度示值相同；数据采集系统实时监控并记录测试段的中压力、压差、流量、温度。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压流体粘性测量的装置，其特征在于，所述的短管实验段为八根，长管为八根，短管实验段与长管为同一管材，其内径1. 1mm。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压流体粘性测量的装置，其特征在于，所述的热电偶为工业一级K型铠装热电或钼铑-钼热电偶。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高温高压流体粘性测量的装置，其特征在于，所述的第一集箱、第二集箱、第三集箱、第四集箱主管管径d3与短管实验段或长管实验段的管内径d之比应满足
5.一种适用于高温高压流体粘性的测定方法，其特征在于，包括以下几个步骤 步骤一准确测量并记录短管实验段长度Lstot，长管长度Llmg ；步骤二 对待测流体的粘性进行预估，确定该流体的雷诺数为400至1500时不同温度所对应的流量范围；步骤三对测试段以及压力变送器进行排气处理在测量液体粘性时； 步骤四检查压力变送器、热电偶以及温控仪是否工作正常； 步骤五测量待测流体粘性首先固定待测流体压力，调节待测流体的流量和温度，以使测试段的进口雷诺数Re达到预估值400 1500，根据进口温度对温控仪进行设定，让其自动控制加热保温的功率以使测试段出口处的流体温度与进口处流体温度相等；待温度、压力、流量均稳定后，通过数据采集系统记录测试系统中温度、压力和流量值，记录时间大于15s，并通过数据采集系统对其进行平均处理，处理后得到测量段的总流量A、短管实验段的进出口压差ΔΡ-rt、长管实验段的进出口压差APlmg,根据长短管排粘性测量公式
6.根据权利要求5所述的一种适用于高温高压流体粘性的测定方法，其特征在于，所述的步骤六中待测流体温度的上限为800K。
7.根据权利要求5所述的一种适用于高温高压流体粘性的测定方法，其特征在于，所述的步骤七中待测流体压力的上限为lOOMPa。
全文摘要
本发明公开了一种适用于高温高压流体粘性测量的方法及装置，其中，该粘性测定方法基于流体力学中的恒定流动量守恒原理并对的经典毛细管测量流体粘性的方法进行拓展得到了适用于各种流体在不同温度和压力下粘性测量的管排长短毛细管测量方法。主要通过利用层流条件下相同质量流量、温度及压力的待测流体流过不同长度的毛细实验管所产生的压降之差来计算流体的粘性。应用该方法的测定装置，通过外部进行加热保温，并采用温控仪进行自动控制以补偿流体在流动过程中的散热热损失，从而获得较为准确的粘性实验数据。本发明方法及装置操作简单方便，适用于各种压力及温度下流体粘性的测量。
文档编号G01N11/08GK102305753SQ20111013679
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者张斌, 张春本, 徐国强, 朱锟, 邓宏武, 陶智 申请人:北京航空航天大学
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