Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и классификация приборов для из мерения реологических параметров жидкостей, цель и задачи исследования 11
1.1. Обзор методов и конструкций для измерения реологических параметров жидкостей 11
1.1.1. Назначение итипы вискозиметров 11
1.1.2. Капиллярные вискозиметры 14
1.1.3. Шариковые вискозиметры 20
1.1.4. Вибрационные вискозиметры 26
1.2. Ротационные вискозиметры 33
1.3. Основные выводы по состоянию методов и приборов для определения реологических параметров 41
1.4. Цель изадачи исследования 43
2. Математическое моделирование динамики бироторного вискозиметра 44
2.1 Расчётная схема и математическая модель бироторного вискозиметра 44
2.2. Обзор реологических моделей жидких сред 52
2.3. Математическое моделирование движения жидкой среды в кольцевом зазоре между двумя цилиндрами бироторного вискозиметра 62
2.4. Методика численного решения систем дифференциальных уравнений динамики бироторного вискозиметра 69
2.5.Выводыпо главе 76
3. Результаты численного моделирования динамики бироторного вискозиметра 79
3.1. Результаты вычислительного эксперимента по расчёту движения кольцевого течения жидкости 79
3.2. Результаты вычислительного эксперимента по расчёту динамики бироторного вискозиметра с учётом динамических свойств жидкости 96
3.3. Выводы по главе 108
4. Разработка конструкции и экспериментальное исследование динамики бироторного вискозиметра
4.1. Конструкция и принцип работы бироторного вискозиметра ПО
4.2. Экспериментальное исследование динамики бироторного вискозиметра 121
4.3. Расчёт основных элементов бироторного вискозиметра 127
4.3.1. Выбор электропривода 127
4.3.2. Расчёт оптического датчика 128
4.4. Выводы по главе 130
Заключение 131
Библиографический список
- Капиллярные вискозиметры
- Математическое моделирование движения жидкой среды в кольцевом зазоре между двумя цилиндрами бироторного вискозиметра
- Результаты вычислительного эксперимента по расчёту динамики бироторного вискозиметра с учётом динамических свойств жидкости
- Экспериментальное исследование динамики бироторного вискозиметра
Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование реологических параметров жидких сред является важной задачей во многих отраслях промышленности: пищевой, автомобильной, химической, в медицинской деятельности.
Изменение реологических свойств материалов, продуктов или их компонентов в процессе работы оборудования или их изготовления может существенно влиять на рабочие параметры технологических процессов, качество готовой продукции, работу готового изделия.
При этом принципиальным является обеспечение непрерывного контроля за свойствами продукта при высокой точности и автоматизации измерений.
К основным реологическим свойствам материалов относятся: упругость, пластичность, прочность и вязкость.
Вязкость (внутреннее трение) - свойство текучих тел (жидкостей и газов) сопротивляться перемещению одной их части относительно другой под действием внешних сил [41, 56, 82]. Вязкие свойства жидкостей и газов различны, так, с увеличением температуры вязкость газов возрастает, а жидкостей резко уменьшается. Для жидкостей характерна динамическая вязкость -величина, равная отношению силы внутреннего трения, действующей на поверхности слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к единице площади этого слоя.
При измерении вязкости жидкостей следует иметь в виду значительное влияние на неё температуры.
Приборы для измерения вязкости жидкостей называются вискозиметрами.
Современное производство располагает широким спектром методов и технологий для определения и контроля реологических параметров, основан- ных, в основном, на косвенных измерениях. При этом одним из наиболее точных, оперативных и перспективных методов контроля реологических параметров является ротационный метод, реализующий прямые измерения вязкости среды путем рассмотрения особенностей сдвигового движения материала в кольцевом канале рабочей области вискозиметра.
Фундаментальные исследования движения сплошных сред в кольцевых каналах рабочего и измерительного оборудования содержатся в трудах Ньютона, Стокса, Навье, Рейнольдса, а также работах Жермена [41], Мейза [63], Рейнера [82, 83], Лойцянского [55, 56], Нигматуллина [67, 68], Маслова [60], Седова [95] и многих других учёных.
Однако, в теоретических и экспериментальных исследованиях зарубежных и отечественных авторов достаточно мало внимания уделено особенностям течения среды при воздействии на неё поперечных сил различного происхождения, в частности центробежных сил инерции, возникающих при движении среды в кольцевом зазоре ротационных вискозиметров.
Применяемые в настоящее время в лабораторных и производственных условиях ротационные вискозиметры представляют собой сложные гидроэлектромеханические объекты, задачей которых является обеспечение высокой автоматизации, оперативности и высокой точности измерений.
В имеющихся литературных источниках недостаточно полно отражены вопросы расчёта динамики ротационных приборов для измерения реологических параметров жидкостей, представляющих собой сложный гидроэлектромеханический комплекс.
Создание и внедрение наиболее точных и оперативных измерительных средств для контроля реологических свойств жидкостей, повышение их эффективности, качества и надёжности, а также внедрение новых технологий ставит задачу проведения теоретических и экспериментальных исследований динамики ротационных вискозиметров как сложных мехатронных объектов во взаимосвязи с изучением процессов течения жидких сред в различных условиях работы оборудования.
Достижения научно-технического прогресса используются в двух основных направлениях: улучшение технико-экономических параметров уже известных моделей оборудования и создание принципиально новых моделей технологического и измерительного оборудования и средств автоматизации. Оба направления, безусловно, должны базироваться на наиболее совершенной технологии измерений и прогрессивных методах автоматизации проектирования и обслуживания.
В связи с вышеизложенным усовершенствование существующих технологий определения реологических свойств жидких материалов на основе ротационного метода, в строгой взаимосвязи с исследованием динамики ротационных вискозиметров как сложных мехатронных объектов, а также с учётом динамических свойств течения жидкости в кольцевых каналах ротационных вискозиметров при воздействии центробежных полей представляется актуальной задачей.
Актуальность поставленной темы формулирует цель работы как повышение эффективности работы ротационного вискозиметра за счёт расширения функциональных возможностей посредством применения двух вращающихся роторов с индивидуальными электроприводами
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
Разработать математическую модель устройства.
Разработать математическую модель сдвигового течения жидкости, исследовать влияние центробежных сил на характер течения.
Исследовать переходные и стационарные режимы работы устройства.
Выбрать рациональные режимы работы вискозиметра.
Разработать конструкцию опытного образца, исследовать его динамику.
6. Провести вычислительные и натурные эксперименты и их сравнительный анализ.
Научное содержание диссертации составляет теоретическое обоснование технических решений, использованных при создании рассматриваемой конструкции вискозиметра посредством разработки уточнённой методики расчёта сложной гидроэлектромеханической системы вискозиметра.
Практическое значение данной работы нашло отражение в создании принципиально новой конструкции ротационного вискозиметра, позволяющей повысить его эксплуатационные и измерительные характеристики и расширить функциональные возможности, и разработке уточнённой методики расчёта динамических свойств течения жидкости в рабочем канале измерительного оборудования данного класса с учётом действия центробежных сил и динамических характеристик бироторного вискозиметра как единого комплекса.
Автор защищает:
Математическую модель бироторного вискозиметра, рассматриваемого как единая гидроэлектромеханическая система с учётом влияния центробежных сил на характер течения.
Методику расчёта бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров.
Результаты математического моделирования сдвигового течения среды при воздействии центробежных сил.
Рекомендации к выбору рациональных режимов работы прибора, повышающих его эффективность и точность измерений.
Научная новизна исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложен системный подход к моделированию бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров как сложного объекта, состоящего из электромеханических и гидромеханических частей, рассматриваемого как единая управляемая система.
Разработана математическая модель сдвигового течения среды в кольцевом зазоре бироторного вискозиметра с учётом центробежных сил, для исследования которой создано специальное программное обеспечение.
Установлено влияние центробежных сил на характер течения среды в кольцевом зазоре вискозиметра, в частности, возникновение поперечной составляющей скорости, линейно зависящей от значения центробежной силы, приводящей к изменению формы профиля течения материала.
На основе изучения эффекта изменения формы профиля течения под воздействием центробежных сил установлена зависимость коэффициента нелинейности профиля течения от величины центробежной силы, а также от вязкости среды. Выявлены рациональные режимы работы вискозиметра.
Методы исследования. Поставленная цель достигнута путем использования положений механики сплошных сред, теоретической механики, электродинамики, теории автоматического управления. При этом использовались методы математического моделирования, численного решения уравнений с применением ПЭВМ, математические методы планирования эксперимента.
Реализация системы моделирования на основе разработанных алгоритмов осуществлялась на базе ПЭВМ типа IBM PC. Требования разработанных программ к оборудованию незначительны.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических положений и принятых допущений, применением известных современных математических методов, согласованностью теоретических исследований с экспериментальными данными.
Практическая значимость и результаты внедрения работы.
Предложена новая конструкция ротационного вискозиметра за счёт применения индивидуальных приводов вращения роторов, что позволило расширить функциональные возможности приборов для определения реологических свойств жидкостей. Разработаны эффективные методики и программное обеспечение для расчёта динамических характеристик бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров с учётом влияния центробежных сил на характер течения среды в кольцевом канале, которые могут быть использованы при проектировании измерительного оборудования. На основе анализа результатов расчётов выработаны рекомендации по выбору рациональных режимов работы прибора, повышающих эффективность работы вискозиметра.
Предложенные в работе методы и средства внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники Курского государственного технического университета в виде лабораторных работ по различным дисциплинам. Разработанный автором бироторный вискозиметр внедрён в производственный процесс ОАО «Электроаппарат» (г. Курск) на стадии контроля качества технологических жидкостей.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на шестой международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г.Курск, 2003 г.); международном научном семинаре «Проблемы истории науки и техники» (г. Курск, 2003 г.); ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодёжь и XXI век» (г. Курск, 2003, 2004 гг.); международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Во- ронеж, 2004 г.); а также на пятой международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 138 наименований и приложе-ний, и содержит 144 страницы основного текста, 65 рисунков, 4 таблицы.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «теоретическая механика и мехатроника» Курского государственного технического университета в соответствии с планом программы РФФИ «Научные основы создания мобильных микророботов на базе новых принципов движения в различных средах» (проект № 04-01-04002).
Капиллярные вискозиметры
Исследование реологических параметров жидких сред является важной задачей во многих отраслях промыишенности: пищевой, автомобильной, химической, в медицинской деятельности.
Изменение реологических свойств материалов, продуктов или их компонентов в процессе работы оборудования или их изготовления может существенно влиять на рабочие параметры технологических процессов, качество готовой продукции, работу готового изделия.
При этом принципиальным является обеспечение непрерывного контроля за свойствами продукта при высокой точности и автоматизации измерений.
К основным реологическим свойствам материалов относятся: упругость, пластичность, прочность и вязкость. Вязкость некоторых жидких материалов, измеренная при температуре 20 С приведена в табл. 1.1. Приборы для измерения вязкости жидкостей называются вискозиметрами.
Условия, при которых производятся исследования, и используемые методы и приборы определяются поставленной задачей. В соответствии с этим приборы, предназначенные для измерения реологических свойств материалов, могут быть разделены на четыре группы. 1. Промышленные приборы, устанавливаемые непосредственно на технологических машинах и регистрирующие свойства масс в потоке. 2. Лабораторные приборы массового назначения для проведения ускоренного контроля за ходом технологического процесса. Такими приборами должны быть оснащены технологические лаборатории предприятий. 3. Приборы, позволяющие проводить более углублённые испытания в лабораториях предприятий. 4. Приборы, предназначенные для исследовательских целей, например, для измерения некоторых специфических свойств материалов.
Приборы для изучения реологических свойств по их физико-математической обоснованности можно подразделить на абсолютные, относительные и условные. На приборах первой группы получают значения исследуемых характеристик в абсолютных единицах. При работе на приборах второй группы осуществляют их предварительную тарировку на эталонных материалах, характеристики которых в условиях проведения опыта заведомо известны. В результате экспериментов получают относительные значения, которые с уче
том тарировочных фафиков легко пересчитывают в абсолютные. На приборах третьей группы получают некоторые условные величины, характерные для данного прибора. Эти условные характеристики могут быть использованы для сравнения различных масс, а также для изучения влияния технологических и других факторов в процессе производства на испытуемые материалы. Условные характеристики имеют лишь качественный характер и не могут быть использованы для расчета машин и оборудования. Данные, полученные на приборах первых двух групп, являющихся теоретически обоснованными, могут быть с успехом применены как для оценки качественных показателей материалов, так и для расчета рабочих узлов машин и выбора оптимальных режимов обработки.
Реологические методы исследования и приборы можно также классифицировать как интегральные, дающие возможность определять суммарный эффект течения, и дифференциальные, позволяющие непосредственно наблюдать деформацию во времени в каждой точке дисперсной системы при ее течении. Помимо этого известные в измерительной технике приборы делятся на приборы с однородным и неоднородным полем напряжений и деформаций. Однородное поле напряжений может быть получено для образцов малого сечения при приложении к ним напряжений одного вида. При несоблюдении этих условий получается неоднородное поле напряжений и деформаций.
Разделение приборов для реологических исследований на интегральные и дифференциальные является условным, так как зависит от их назначения и конструкции.
Принцип действия вискозиметров основан на зависимости выходных сигналов от молекулярно-механических свойств анализируемой жидкости, а также на зависимости этих сигналов от молекулярно-механических явлений, протекающих в контролируемой жидкости. Механические вискозиметры предназна чены для измерения вязкости различных жидкостей и их структурно-механических свойств.
Классификация устройств для определения вязкости по принципу измерений приведена на схеме (рис. 1.1.). Конструкции вискозиметров довольно подробно описаны в литературе [14, 27,47, 61, 70, 76, 132, 133].
Современное производство располагает широким спектром методов и технологий для определения и контроля реологических параметров, основанных в основном на косвенных измерениях.
Рассмотрим более подробно основные известные методы измерения вязкости.
Метод капиллярного истечения является одним из самых старых и хорошо изученных. Первоистоки применения данного метода восходят к Ньютону и Пуазейлю (ок. 1840 г.). Среди отечественных учёных, занимавшихся данным методом, следует отметить работы В.К. Алтухова, Ю.М. Водянова, В.Г. Юн-гельсона, М.П. Воларовича, Г.Ш. Хайбулина, В.И. Снегура, В.М. Шаповалова, Н.В. Тябина, К.Г. Омельченко, М.Г. Тренева и др.
Теоретические основы капиллярной вискозиметрии для ньютоновских и неньютоновских жидкостей даны в работах Г. Бара, Б. Рабиновича, М. Муни, А. Метцнера, У. Рида, и др. [61, 133].
Капиллярные вискозиметры получили широкое распространение в лабораторной практике благодаря высокой точности (погрешность измерений: 1-2% для малых вязкостен, свыше 10% для высоких вязкостей), широкому диапазону измерений и сравнительной простоте.
Математическое моделирование движения жидкой среды в кольцевом зазоре между двумя цилиндрами бироторного вискозиметра
Для более полного и точного описания гидродинамических процессов, возникающих при работе вискозиметра, необходимо исследовать динамику течения жидкости в кольцевом зазоре при воздействии на неё поля центробежных сил.
Рассмотрим движение вязкой жидкости в кольцевом зазоре биротор-ного вискозиметра между наружной поверхностью внутреннего ротора 1 радиуса Rj и внутренней поверхностью наружного ротора 2 радиуса R2 без учёта их возможной эксцентричности. Проведем сечение рабочей области вискозиметра плоскостью, параллельной торцевым поверхностям роторов. Схема рабочей области ротационного вискозиметра приведена на рис. 2.8.
В общем случае оба цилиндра вращаются с разными угловыми скоростями со/ и а 2. На каждую точку среды вследствие вращения цилиндров действует центробежная сила инерции F".
Выделим в расчётной области элемент жидкости. При больших абсолютных размерах цилиндров по отношению к величине зазора в первом приближении данный элемент можно рассматривать как область прямоугольной формы, а центробежные силы, действующие на жидкость в каждой точке как поле поперечных параллельных сил.
В данной постановке задача сводится к рассмотрению случая сдвигового движения жидкости между двумя параллельными пластинами [41, 56], находящимися в плоскости Х1ОХ2, движущимися с линейными скоростями VRI и VR2, причём
Введём ряд ограничений и допущений, позволяющих несколько упростить рассматриваемую задачу, предполагая при этом, что общие закономерности течения распростраїїяются и на более общие случаи. Рассмотрим случай, когда внутренний цилиндр неподвижен, т.е. левая пластина неподвижна, правая движется вдоль оси х} со скоростью VR2.
На каждую точку среды действует некоторая объёмная поперечная сила F", параллельная оси х?. F" — р а, где р — плотность жидкости; а - поперечное ускорение. a = co2/R, где R - радиус кривизны траектории движения точки среды; со - угловая скорость слоя жидкости, которому принадлежит точка.
Считая величину кольцевого зазора пренебрежимо малой по сравнению с абсолютными геометрическими радиальными размерами роторов, рассматриваем поперечное ускорение постоянным по модулю, следовательно, силу F1 также принимаем постоянной по модулю
Система уравнений, описывающих динамику движения жидкой среды, состоит из закона сохранения импульса, уравнения неразрывности, реологического уравнения и термодинамического уравнения [15, 54, 93]:
Последнее уравнение выражает условие отсутствия теплообмена между частицами среды: энтропия в каждой частице постоянна, то есть полная dS производная энтропии по времени (равная ь (V,V)S) равна 0. Движение dt среды считаем изэнтропическим, то есть таким, что во всём объёме, занятом средой, энтропия S — const. Для изэнтропических движений термодинамическое уравнение выполняется автоматически, поэтому в дальнейшем его записывать не будем.
Состояние среды считаем квазистационарным, то есть среда находится в термодинамическом равновесии. Ограничимся рассмотрением только изотермических процессов.
Течение среды считаем ламинарным и установившимся, что соответствующим образом с учётом критерия Рейнольдса ограничивает динамические параметры процесса.
После подстановки значений напряжений согласно приведенному реологическому уравнению в закон сохранения импульса, присоединяя ещё уравнение неразрывности, для данной плоской задачи сдвигового течения материала в кольцевом канале бироторного вискозиметра с учётом действия инерционных центробежных сил получим на основе уравнений Навье-Стокса в проекции на оси системы координат XjOx2 уравнения течения в виде:
Существенным отличием построенной математической модели сдвигового течения жидкости в кольцевом зазоре бироторного вискозиметра является учёт действия центробежных сил инерции в виде соответствующего слагаемого поперечного ускорения.
Анализ решения приведенной системы дифференциальных уравнений позволит выяснить степень влияния центробежных сил инерции на характер и закономерности сдвигового течения материала в кольцевом канале вискозиметра. Можно предположить, что наличие поперечного ускорения приведёт к появлению второй (вдоль оси х2) составляющей скорости, что в свою, очередь, может привести к изменению общей картины течения, возможно, при некоторых условиях переходу течения из ламинарных режимов в переходные или турбулентные.
Результаты вычислительного эксперимента по расчёту динамики бироторного вискозиметра с учётом динамических свойств жидкости
Во 2-й главе составлена математическая модель динамики бироторного вискозиметра, учитывающая динамические свойства электропривода постоянного тока и характеристики сдвигового течения среды в кольцевом канале вискозиметра.
Далее приводятся результаты вычислительного эксперимента по расчёту динамических свойств бироторного вискозиметра, полученные с использованием программно-вычислительного комплекса Mathcad Professional 2001.
Важным фактором для изучения динамических свойств бироторного вискозиметра является определение момента сопротивления вращению, возникающего со стороны жидкости.
Из литературных источников известно выражение для определения суммарного момента относительно оси вращения сил трения по какой-нибудь окружности радиуса г, лежащей между поверхностями внутреннего и наружного роторов [56]. В используемых обозначениях эта зависимость имеет следующий вид (см. рис. 2.1): М.-АЩ.-НСЬ-У - , (3.6) где pi - коэффициент динамической вязкости жидкости; Н- высота столба жидкости, заполняющей наружный цилиндр; wi, со2 - угловая скорость соответственно внутреннего и наружного ротора; радиус внешней поверхности внутреннего ротора; радиус внутренней поверхности наружного ротора. Из формулы (3.6) следует, что момент сопротивления не будет зависеть от радиуса слоя жидкости.
В предложенной в настоящей работе математической модели би-роторного вискозиметра величина момента сопротивления определяется из соотношений (2.5).
Анализ результатов расчёта моментов сопротивления среды, действующих на внутренний и наружный роторы, указывает на хорошую сходимость данных численного расчёта и известных аналитических соотношений, определяемых формулой (3.6).
Следствием того факта, что момент сопротивления вращению, возникающий со стороны рабочей жидкости, не зависит от радиуса слоя жидкости, что означает, что в уравнениях, описывающих динамику биро-торного вискозиметра моменты сопротивления, воздействующие отдельно на каждый ротор, целесообразно заменить одним значением момента сопротивления, т.е. Мс1 = Мс2 = Мс. (3.7)
В работе исследована зависимость момента сопротивления вращению от скорости сдвиговой деформации среды при различных параметрах системы. На рис. 3.19 приведены зависимости момента сопротивления от скорости сдвига при различных абсолютных значениях угловых скоростей роторов, т.е. при различной интенсивности поля центробежных инерционных сил. Из графиков (рис. 3.19) видно, что с увеличением абсолютных значений угловых скоростей роторов, т.е. возрастанием центробежных сил инерции, момент сопротивления при заданной скорости сдвига также возрастает, при сохранении неизменным угла наклона графика момента сопротивления к оси сдвиговых деформаций.
Полученные в ходе вычислительного эксперимента значения моментов сопротивления жидкости позволяют решить систему (2.4) дифференциальных уравнений динамики бироторного вискозиметра.
В ходе вычислительного эксперимента были изучены переходные и стационарные режимы работы бироторного вискозиметра.
Установлено, что в зависимости от входных параметров системы (номинальных и питающих напряжений двигателей, коэффициентов скорости и момента, коэффициента вязкости, индуктивности обмоток двигателей и др.) возможен либо плавный разгон роторов до рабочей угловой скорости за определённый промежуток времени, либо возможно проявление переходных процессов различного характера.
Одними из основных параметров, влияющими на динамические характеристики исследуемого объекта, плавность разгона двигателей и продолжительность переходных процессов, являются скоростной коэффициент СЕ и коэффициент момента на валу двигателя См ном и Іяном - номинальное значение напряжения и якорного тока двигателя, Мном и сОхх - номинальный крутящий момент и скорость холостого хода двигателя.
Обнаружено, что при значении скоростного коэффициента Cg ниже 2.8 - 3.0 угловая скорость ротора плавно возрастает (рис. 3.20).
Если СЕ 3.0 - 3.2, то имеют место колебательные переходные процессы при нарастании угловой скорости ротора до рабочего значения (см. рис. 3.21-3.23). На рис. 3.24 приведена зависимость времени разгона двигателей от значения скоростного коэффициента СЕ, построенная по эксперименталь ным данным (показаны точками), при следующих основных параметрах системы:
Экспериментальное исследование динамики бироторного вискозиметра
С целью изучения динамики, особенностей работы, а также выявления рациональных режимов работы бироторного вискозиметра были проведены экспериментальные исследования.
Поскольку разработанная лабораторная установка не оснащена системой термостатирования, температура жидкости считается равной температуре окружающей среды. Экспериментальные исследования проводились при следующих условиях: температура окружающей среды - 290 - 295 К; атмосферное давление - 750 - 760 мм.рт.ст.
При исследовании динамических свойств бироторного вискозиметра в качестве рабочей жидкой среды использовалась дистиллированная вода, вязкость которой известна и равна при указанных условиях 1,005-10" Па с. При этом определялись динамические и электромагнитные параметры системы: угловые скорости вращения роторов, время разгона, момент сопротивления, сила тока в конурах, падение ЭДС, магнитный поток и т.д.
Натурные эксперименты проводились следующим образом.
1. При некоторых фиксированных скоростях наружного цилиндра изменяли значение скорости внутреннего ротора. При этом исследовались характеристики течения, динамические свойства системы. Измерения проводили при 5 фиксированных угловых скоростях наружного ротора: 0, 4, 8, 12, 16 с" . Скорость вращения внутреннего ротора изменяли в диапазоне от 1 — 20 с" в обоих направлениях с интервалом 1с 1. Регулировка угловой скорости роторов осуществлялась посредством изменения напряжения питания на соответствующем электродвигателе и использованием ЦАП L-Card.
2. При фиксированных скоростях внутреннего ротора изменяли значение скорости наружного ротора. Измерения проводили при 5 фиксированных угловых скоростях внутреннего ротора: 0, 5, 10, 15, 20 с"1. Скорость вращения наружного цилиндра изменяли в диапазоне от 1 - 26 с"1 в обоих направлениях с интервалом 1с"1.
3. Для изучения влияния центробежного поля на динамические процессы движения жидкости при фиксированных значениях градиента скоростей сдвига проводили плавное изменение абсолютных угловых скоростей цилиндра и ротора. При этом средний градиент скорости определяют по зависимости (3.2). Измерения проводили при 5 фиксированных значениях градиента скоростей: 20, 40, 60, 80, 100 с"1.
Полученные экспериментальные данные систематизировались и анализировались с использованием известных методик проведения и анализа научного эксперимента [88, 109]. Результаты экспериментальных исследований приведены ниже.
Для исследования жидкостей, вязкость которых априорно не известны, и разработки методики определения реологических параметров жидких сред была проведена серия натурных экспериментов, в результате которых определялись такие динамические характеристики биро-торного вискозиметра, как угловые скорости обоих цилиндров и момент сопротивления среды вращению.
Константа С определялась экспериментально путём сопоставления значений момента сопротивления эталонной жидкости, в качестве которой использовалась дистиллированная вода, со значениями касательной силы возникающей при сдвиговом течении эталонной жидкости. Измерения проводили для различных значений градиентов скоростей.
Результатом измерений является построение реологической кривой течения жидкости, представляющей собой зависимость касательных напряжений от скорости сдвига.
На рис. 4.7 приведен график зависимости момента сопротивления от скорости сдвига для двух жидкостей, полученный в ходе измерений на экспериментальной установке. В качестве эталонной жидкости для тарировки прибора использована вода. Полученные на рис. 4.6 графики позволяют рассчитать значение коэффициента динамической вязкости как тангенс угла наклона прямой момента сопротивления к оси скорости сдвига.
