含气量对液体粘度的影响

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1、第4卷第5期2004年5月科学技术与工程Vol.4No.5May,2004167121815(2004)0520394203ScienceTechnologyandEngineeringn2004Sci.Tech.Engng.含气量对液体粘度的影响1刚立许唯临邓军张红良(四川大学高速水力学国家重点实验室,分析测试中心1,成都610065)摘要通过对选定液体的含气量和对应粘度的测量,实验研究了含气量对液体粘度的影响。其中对粘度的测量用了旋转法,而对含气量的测量用了图像处理技术,得到了含气量与粘度的对应关系,并归纳了关系式;表明在温度等环境因素不变的情况下粘度随含气量的增加而增加,并且

2、呈现非线性的关系。这一成果将有助于掺气对流体特性影响的规律和机理做进一步研究。关键词含气量粘度图像处理技术+中图法分类号TV131.34;文献标识码A掺气现象在水利工程中普遍存在,特别是在我国动的模拟有赖于粘度值的确定。它影响能量和动量的近年越来越多的高坝大库的水利工程中。当明流流速传递、扩散,边界层的发展,流速分布等。达到一定程度会有大量空气自水面掺入水流中,以气1实验泡形式随水流带走,形成自掺气;而当高速水流受到某种干扰,将从水面卷入大量空气形成强迫掺气。首先需选用实验用液。作者曾尝试以水为测试在水利科学这一领域中,人们对这一现象的利弊液,但由于粘度太低难以测量,同时气泡无法维

3、持其做了深入的研究,也有了深入的认识。例如:对掺气水中,转而选用其他类型液体。试液需满足以下几点要流的水深做了理论推导,得出了计算公式[1];对如何利求:能使气泡在一定时间(取样时间)内稳定地保存其用这一现象兴利除害,在实验室中进行了很多开创性中;其粘度较易测量;有一定的稳定性。由以上要求选的研究,诞生了掺气减蚀技术与工艺,在工程中得到了定实验测试液为“甲基纤维素”溶液。广泛实践,得出当掺气达到一定浓度可减免空蚀[2];对对粘度的测量使用NDJ—1旋转型粘度仪。选用掺气射流[3]、掺气减阻[4]、掺气水流的流速分布[5]等进1号转子,转速为6r/min,测试范围为(0—100)mP

4、a·s。行了深入研究,等等。有人试图从微观的角度来解释气对水的特性的影响,他们用实验证明纯水有相当的[6]抗拉能力(可达到两个标准大气压以上),而由于真实水体中经常存在气体核子及固体微粒等异相介质,因而大大地降低了水的抗拉强度。然而直到目前为止,无论是对掺气机理还是对掺气特性的解释都没达成共识,为彻底认识这一复杂现象,还需在理论和实验图1玻片样本多方面作出努力。·粘度表示切应力τ与剪切率γ间的关系,τ=对含气量的测量用图像处理技术。在类似问题μ(dv/dy),是流体的一个很重要的力学特性。粘度在的研究中也有人用图像处理的方法试图获得含气流体计算及工程实践中很重要,特别是对真实流体流

5、[7]量,但其直接对含气液体拍照,无法消除在照像的投影方向上气泡相叠加所带来的误差,而这种误差将直2004年1月13日收到国家自然科学基金(50279022)资助接影响含气量的测量精度。本文实验中采用制做玻片第一作者简介:刚立(1980—),男(汉族),甘肃会宁人,研究生。5期刚立,等:含气量对液体粘度的影响395图2求含气量的图像处理过程的方法并成功地消除了这种影响。首先制做采样玻片素的数量,得出表示气泡的白色部分象素数与总象素(如图1所示),将样品置于两玻片之间形成一层由气之比即为含气浓度;将总象素数与窗口标尺比较得出泡和液体相互分割的膜。a,b为玻璃板,玻璃板间距为象素的空间

6、尺寸;白色的象素联成一块反映了气泡的0.47mm,阴影部分为液体示意。由于玻片间距小于气尺寸,其周围的黑色部分则代表液体,统计白色象素块泡直径,使得气泡密封并被玻片束缚成饼状,因而气泡的个数,即得到气泡个数,由此结合空间尺寸得出气泡与液体的体积比就等于玻片中间气泡和水各自所占的的平均尺寸。面积比。在玻片中设置了6cm×6cm平面正交的标尺2结果与分析以便在图像处理中能获得气泡的尺寸。使用canon数经以上处理得到了含气量与粘度的对应值(见表码相机,用分辨率2272×1704极精细格式拍摄。此外1),将此对应关系点绘于图3,横坐标表示含气量,纵坐为获得最佳的图像效果,对实验液进行了染

7、色,同时使标表示粘度。图中可明显地看出粘度随含气量的增大用2盏25W冷光型节能灯作为玻片的背投光源。而增大,同时呈现出非线性的关系。随着含气量的增对于粘度可由粘度仪直接读出,而对于含气量的加,粘度的增加更加显著,对此变化规律进行归纳得到获取则需要进一步处理,在此使用图像方法来求掺气关系式为[8]量。使用Ostu法对原图像(图2a)二值化形成黑白图2μ=μ(1+0.157C+4.445CÃ)(1)C(图2b);而此黑白图中未能将大气泡的中心部分与背式中:C为气体体积含量