液体粘度的测量.pdf

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1、液体粘度的测量粘度是流体的重要物理特性。粘度测量与石油、化工等工业技术有着密切关系，生物、医学等领域也常用到粘度测量。1.实验目的(1)学习旋转法、落球法、毛细管法测量液体粘度的基本原理；(2)了解液体粘度与温度的关系。2.实验原理粘度分为动力粘度和运动粘度，一般将动力粘度简称为粘度。流体流动时流层间存在着速度差和运动的逐层传递。当相邻流层间存在速度差时，快速流层力图加快慢速流层，而慢速流层则力图减慢快速流层。这种相互作用随着流层间速度差的增加而加剧。流体所具有的这种特性称为粘性，流层间的这种相互作用力称为内摩擦力或粘性（滞）力（如图1所示）。用粘度η（粘滞

2、系数）来表示流体的粘性程度，定义为vz=0的稳定层流中剪切应力τxz与剪切速率dvx/dz之比值dvx（1）zxzdzF动力粘度的单位是帕（斯卡）秒,记作Pa·s.实际工作中常常直接测量运动粘度ν，其定义为（动力）粘度η与流体密度ρ之比vx（2）22运动粘度的单位是二次方米每秒，m/s，具体工作中也用mm/s。液体粘度的测量方法主要有旋转法、落球法、毛细管法、振动法、x平板法、流出杯法等。本实验采用旋转法、落球法和毛细管法测液体粘图1层流液体的内摩擦力度。(1)旋转法测定液体的粘度对于牛顿流体（层流液体），由牛顿内摩擦定律可知，平面层流时流层间

3、的内摩擦力等于表面积S、粘滞系数η和速度梯度dv/dl的乘积，即dvFS（3）dl如图2（a）所示的两同轴圆筒间充以待测液体。当内筒稳定、匀速转动时，内外筒之间的液体形成稳定层流。对于高度为L的环状薄层（如图2（b）所示），半径为r处的表面积S=2πrL，该面所受的内摩擦力在柱坐标系中沿切线方向，其大小为ddFSrLrr2drdr（4）式中的负号是因角速度ω沿径向而递减。稳定旋转时半径为r的液柱面所受的力矩为常数，设其值为M，可得3dMrF2Lr（5）dr整理并积分，有M1c（6）24

4、Lr利用边界条件和0，有M11c和M11rRa0rRb04LR22c0。联立求解可得液体粘a4LRb度22RRbaM（7）224LRRba0此即Couette-Margules公式。图2旋转法测液体粘度液体的粘度与温度有关，满足Andrade公式EAekT（8）-23-1其中T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数（1.38×10J·K），A、E为与液体分子结构有关的常数，E称为分子粘流活化能。测出液体二个以上不同温度的η（T）值，即可确定E、A的值。实验仪器采用NDJ-7旋转粘度计（见图3）。同步电机以稳定的

5、速度旋转，连接刻度圆盘，再通过游丝和转轴带动转子（内筒）旋转（参见图2（a））。如果转子未受到液体的阻力，则游丝、指针与刻度圆盘同速旋转，指针在刻度盘上指示的读数为“0”。反之，如果转子受到液体的粘滞阻力，则游丝产生扭矩，与粘滞阻力抗衡最后达到平衡，这时与游丝连接的指针在刻度圆盘上指示一定的读数（即游丝的扭转角）。将读数乘以由仪器结构及工作参数（转速ω0等）确定的系数，即可得到液体的粘度。旋转粘度计共有二组测定器，每组包括一个测定容器和几个测定转子配合使用（见仪器说明），可根据被测液体的大致粘度范围选择适当的测定组及转子，为取得较高的测试精度，读数最好大于3

6、0分度而不得小于20分度，否则，应变换转子或测试组（仪器具体使用说明可参见实验室资料）。图3NDJ-7型旋转粘度计及水浴装置实验时将被测液体缓缓注入测试容器（外筒）中，使液面与测试容器锥形面下部边缘齐平（实验室已提前准备好）。将转筒浸入液体，将测试容器放在仪器托架上，把转筒悬挂在仪器的联轴器上，转子应全部浸没于液体中。开启电源，此时转子旋转时可能伴有晃动，可前后左右移动托架上的测试容器，使外筒与转子（内筒）同轴，从而使旋转稳定，将读数乘上特定系数即得到液体的粘度（mPa·s）。注意事项：①开启电源后如果电机未能及时启动或指针摆动过大，应立即关闭开关，调整后再

7、重新开启。②若环境温度低于25℃时，应打开水浴电源，通过连接管道利用循环水对测试液体进行加热，带加热稳定后再测粘度，同时从测试容器附带的指针式温度计上读出相应的被测液体的温度（单位℃）。(2)落球法测定液体的粘度当小圆球在粘性液体中下落时，在铅直方向受到三个力的作用：小球的重力ρgV（V为小球体积、ρ为小球密度）、液体作用于小球的浮力ρ0gV（ρ0为液体密度）和粘滞力F（方向与小球运动方向相反）。如果液体无限深广，且小球半径r和下落速度υ均较小，则粘滞力F6vr（9）式（9）称为斯托克斯（Stokes）公式，其中η是液体的粘度。小球开始下落时，由于速度

8、尚小，所以阻力也不大。当下落速度增大后，阻力也随之增