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旋转粘度计间隙流及其对粘度测量的影响

发表时间：2023-11-27

旋转粘度计测试范围广、操作方便、维护简单，是流体粘度测量的重要方法之一。在粘度计实际生产、应用、检测过程中往往把转子常数作为常量值，采用标准液在某一参数下校准后全量程使用。这在旋转粘度计间隙流流态处于理想的定常层流态时成立，实际工作中其间隙流态复杂。旋转粘度计间隙流流态对粘度测试的影响不应被忽视，为此采用AnsysFluent 分析软件对其间隙流做模拟，分析了不同间隙比、转速下间隙流流态的不同。试验测试了不同转速下粘度计测量值的偏差，为旋转粘度计的规范操作提出建议。

一、工作原理

旋转粘度计工作时，转子在外界作用力 F 作用下绕中心轴旋转，带动间隙流体流动，当系统维持转子匀速旋转时，受力平衡，如图 1 所示。

转子受到来自维持转子旋转的作用力 F 和待测流体由于粘滞性质产生的切应力Fτ ，通过测量作用力 F 的方法可测量间隙流体粘度值。即旋转法粘度计粘度值的计算公式：

式中：M--扭矩，N. m

Ω--角速度，rad/s;

h--内柱体长度，m

c--端面效应引起的附加管长，m;

r--内柱体半径，m;

Ｒ--外柱体内半径，m。 

对公式（1）进行变形：

式中:  TK--粘度计扭矩常数;

SMC--转子常数;

RPM--角速度，r/min;

Ε--间隙比

旋转粘度计的校准实际上是对粘度计 SMC 值的修正。在粘度计实际应用中往往把 SMC 值作为常量值，采用标准液在某一参数下校准后全量程使用。存在以下问题：

      A. 公式（1）是在间隙流处于定常层流态的假设前提下推导而来，实际工作状态下并不能保证。

      B. 由公式（2），内外转子间隙比、转速影响 SMC 值，不同参数下将 SMC 值作为同一个常数并不准确。

二、数值模拟

        旋转粘度计工作时，内外筒同轴，转子带动间隙流做环绕运动，此模型和机械轴承润滑、发动机气隙简化模型等流体机械相似，称为泰勒科特流模型。

        为探讨旋转粘度计间隙比、转速影响间隙流流态，进而反应为粘度测量值的不同。分别将间隙比、转速作为变量，对其间隙流模型进行建模。

2. 1 间隙比不同

        几何模型:转子半径 10mm，转速 30r/min，高度取 100mm，间隙比分别取 1. 0 和 0. 4。采用 Gam-bit2. 2 绘制网格，径向网格双向加密，比率为 1. 05，轴向和周向为均匀网格。采用 AnsysFluent6. 3，物性参数相同。运算收敛后分析其切向速度云图，截取内外转子间隙的轴向横截面，如图 2 所示。

图 2a 间隙比为 1. 0，图 2b 间隙比 0. 4。间隙比较大时间隙流的流动稳定，速度由内向外逐渐减小且成均匀分布。从其径向方向的切向速度分布图来看，如图 3 所示。速度分布曲线的斜率基本不变，更进一步说明了径向方向上的流体切向速度分布均匀，间隙流体流动稳定，没有扰动出现，呈层流状流态。图 2b，间隙比改变间隙流的流动状态发生很大变化，此参数下涡动明显。

2. 2 转速不同

几何模型:转子半径 10mm，高度取 100mm，间隙比为 0. 4，转速分别取 5r/min、30r/min。结果如图 4 所示。

如图 4a，速度较小时间隙流的流动稳定，没有扰动出现，呈层流状流态。转速增大后，间隙流的流动状态发生变化，扰动越来越剧烈，如图 4b。

间隙比、转速的变化改变了间隙流流态，流态影响了间隙流对转子的内应力，呈现为粘度测量值的不同。另外，旋转粘度计实际工作过程中影响因素更为复杂，诸如端部效应、轴心偏移等均会导致间隙流流态变化，如图 5 所示。因此，在粘度计实际生产、应用、检测过程中理论上应对各个变量参数下SMC 值作修正。

三、实验部分

旋转粘度计仪器参数(如转速、间隙比)影响粘度测量值。为进一步探讨不同仪器参数下粘度测量的差异，以转速为变量进行试验。采用标格达精密仪器（广州）有限公司生产的型号为BGD 155/2S智能触控数字式粘度计的1号转子在不同转速下对二级标准黏度液做测试。

按照 JJG1002 － 2005《旋转粘度计检定规程》，选择200 # 二级标准粘度液(222. 7MPa. s，20℃)，按照速度递减和速度递增进行两次测试，结果如表 1 所示。

技术条件：温度(20 ～ 21)℃，相对湿度(55 ～ 60)%RH，恒温槽温度波动度 0. 05℃ /15min，数字温度计分度值 0. 01℃。测量结果示值偏差为 1. 5%。

采用标格达精密仪器（广州）有限公司生产的型号为BGD 155/2S智能触控数字式粘度计的4号转子在不同转速下对二级标准黏度液做测试。

选择 8000 # 二级标准粘度液(8270MPa. s，20℃)，相同技术条件及测试程序，结果如表 2 所示。测量结果示值偏差为 1. 0%。

四、结语

旋转粘度计间隙比、转速的变化导致间隙流流态不同，流态的变化影响粘度测量值。实验显示不

同转速下仪器示值偏差达 1. 5%，样品流态及其对粘度测量的影响不应该被忽略。因此，在实际生产、应用、检测过程中把 SMC 值作为常数值，采用标准液在某一参数下校准后全量程使用的方法不可取。建议在旋转粘度计校准时根据客户实际需要，对不同参数做 SMC 值修正，并确保应用时采用同一参数。