[go: up one dir, main page]

RU2129264C1 - Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media - Google Patents

Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media Download PDF

Info

Publication number
RU2129264C1
RU2129264C1 RU96111753A RU96111753A RU2129264C1 RU 2129264 C1 RU2129264 C1 RU 2129264C1 RU 96111753 A RU96111753 A RU 96111753A RU 96111753 A RU96111753 A RU 96111753A RU 2129264 C1 RU2129264 C1 RU 2129264C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steady
rheological
shear
values
model
Prior art date
Application number
RU96111753A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96111753A (en
Inventor
В.А. Иктисанов
Original Assignee
Иктисанов Валерий Асхатович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Иктисанов Валерий Асхатович filed Critical Иктисанов Валерий Асхатович
Priority to RU96111753A priority Critical patent/RU2129264C1/en
Publication of RU96111753A publication Critical patent/RU96111753A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2129264C1 publication Critical patent/RU2129264C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

FIELD: oil excavation, petrochemical, food, biochemical industries, cosmetics, paint and varnish industry. SUBSTANCE: steady-state values of stresses τ and rates of displacement
Figure 00000003
of various fluid media are measured in agreement with procedure in wide range of rates of displacement. Steady-state rheological characteristics of various fluid media τ** are determined by values measured during experiment and with the aid of generalized rheological model
Figure 00000004
, where i=1; 0,; -1; n is index of nonlinearity. Elastic plastic materials are described with i=1; n>0, pseudoplastic materials are explained with i=1, n<0, dilatant systems are presented with I= -1, n<0, Newton's media are described with I=0. Exhaustive search of values n is conducted and coefficients μ**, of model resulting in minimum of sum of squares of deviations of calculated and experimental values of stresses are found. Usage of given rheological model allows approximation of rheograms of various non-Newton systems both displaying and not displaying plastic properties obtained on various types of viscosimeters to be conducted. EFFECT: expanded application field. 5 tbl

Description

Изобретение относится к областям нефтедобычи, бурения нефтяных и газовых скважин, нефтехимии, биохимии, пищевой, косметической, лакокрасочной промышленности. The invention relates to the fields of oil production, drilling of oil and gas wells, petrochemistry, biochemistry, food, cosmetic, paint and varnish industry.

К настоящему времени существует более 20 реологических моделей, описывающих взаимосвязь между установившимися значениями напряжений и скоростями сдвига. Многообразие реологических моделей способствует появлению большого количества работ, посвященным гидродинамическим расчетам различных течений. Аппроксимация реограмм, как правило, производится путем предполагаемых на соответствие моделей и выбора той, которая дает наименьшую погрешность. Большинство исследователей и инженеров, учитывая сложность определения параметров моделей, пользуются простейшими моделями Шведова-Бингама и Оствальда, приводящими к значительной погрешности аппроксимации. Естественно с этих позиций наиболее оптимальным является использование одной реологической модели, описывающей кривую течения с высокой степенью точности. To date, there are more than 20 rheological models that describe the relationship between steady-state stress values and shear rates. The variety of rheological models contributes to the emergence of a large number of works devoted to hydrodynamic calculations of various flows. Rheograms are approximated, as a rule, by means of models assumed to be consistent and the choice of the one that gives the smallest error. Most researchers and engineers, given the complexity of determining model parameters, use the simplest Shvedov-Bingham and Ostwald models, which lead to a significant approximation error. Naturally, from these positions, the most optimal is the use of a single rheological model that describes the flow curve with a high degree of accuracy.

Кроме статистической погрешности исследований на вискозиметрах исследователи сталкиваются с методической погрешностью, заложенной в основе данного способа исследований. Одной из них является методическая погрешность, вызванная неньютоновскими свойствами исследуемых жидкостей, и возникающая в связи с тем, что принимаемые значения скоростей сдвига на стенках вискозиметров не соответствуют действительным. Обычно скорость сдвига на стенке рассчитывается по выражениям, отвечающим ньютоновской среде. Поэтому пренебрежение рассматриваемой методической погрешностью может исказить представление об исследуемой неньютоновской системе. In addition to the statistical error of studies on viscometers, researchers are faced with the methodological error laid down in the basis of this research method. One of them is the methodological error caused by the non-Newtonian properties of the studied liquids, and arising from the fact that the accepted values of the shear rates on the walls of the viscometers do not correspond to the real ones. Usually, the shear rate on the wall is calculated from the expressions corresponding to the Newtonian medium. Therefore, neglect of the methodological error under consideration can distort the idea of the non-Newtonian system under study.

Цель данного изобретения - создание простого способа точного определения реологических характеристик на различных типах вискозиметров с учетом статистической погрешности и методической погрешности, вызванной неньютоновскими свойствами, для различных эмульсий, суспензий, золей, гелей, паст, нефтей, растворов и расплавов полимеров. The purpose of this invention is the creation of a simple way to accurately determine the rheological characteristics of various types of viscometers, taking into account the statistical error and the methodological error caused by non-Newtonian properties, for various emulsions, suspensions, sols, gels, pastes, oils, solutions and polymer melts.

Поставленная цель достигается с помощью реологической модели, позволяющей описывать с высокой степенью точности зависимость между установившимися значениями напряжений τ и скоростей сдвига

Figure 00000005
для самых различных текучих сред в широком диапазоне скоростей сдвига:
Figure 00000006

или
Figure 00000007

при i= 1, n>0 описываются вязкопластики:
Figure 00000008
Figure 00000009
n<0 описываются псевдопластики: τ*= τ (τ → τ при γ → ∞)
Figure 00000010

при i=0 описываются ньютоновские жидкости: μ*= μ,
при i=-1, n<0 описываются дилатантные системы:
Figure 00000011
Figure 00000012

где τo, ηp, μo - начальное напряжение сдвига, пластическая вязкость, вязкость при малых скоростях сдвига,
μ - ньютоновская вязкость,
μe - эффективная вязкость,
τ - напряжение, к которому стремится кривая течения при бесконечной скорости сдвига; фиктивный параметр, свидетельствующий о постоянном разрушении структуры в области ламинарного режима,
Figure 00000013
скорость сдвига, к которой стремится кривая течения при приложении напряжения, стремящегося к бесконечности, является фиктивным параметром.The goal is achieved using a rheological model that allows you to describe with a high degree of accuracy the relationship between the steady-state values of stresses τ and shear rates
Figure 00000005
for a wide variety of fluids over a wide range of shear rates:
Figure 00000006

or
Figure 00000007

for i = 1, n> 0, viscoplastics are described:
Figure 00000008
Figure 00000009
n <0, pseudoplastics are described: τ * = τ (τ → τ as γ → ∞)
Figure 00000010

for i = 0, Newtonian fluids are described: μ * = μ,
for i = -1, n <0, dilatant systems are described:
Figure 00000011
Figure 00000012

where τ o , η p , μ o - the initial shear stress, plastic viscosity, viscosity at low shear rates,
μ - Newtonian viscosity
μ e is the effective viscosity
τ is the stress to which the flow curve tends at an infinite shear rate; a fictitious parameter indicating a constant destruction of the structure in the region of the laminar regime,
Figure 00000013
the shear rate to which the flow curve tends when applying a voltage tending to infinity is a dummy parameter.

Следует подчеркнуть отличия данной модели от реологической модели Шульмана (Шульман 3. П. Конвективный тепломассоперенос реологически сложных жидкостей. М.: Энергия, 1975 - 351 с.):

Figure 00000014

Модель Шульмана предназначалась автором исключительно для жидкостей, обладающих начальным напряжением сдвига τo. В отличие от этого, с помощью уравнения (1) описываются псевдопластичные и дилатантные системы, не обладающие начальным напряжением сдвига, что безусловно расширяет область применения модели (1). Одним из недостатков модели Шульмана является то, что в ней присутствуют различные размерности, определяемые разными степенями m и n, и при m ≠ n параметр ηp теряет свой физический смысл. Кроме этого, определение 4 параметров модели Шульмана приводит на порядок к большему времени счета по сравнению с определением 3 коэффициентов в модели (1).It should be emphasized that this model differs from the Shulman rheological model (Shulman 3. P. Convective heat and mass transfer of rheologically complex liquids. M: Energy, 1975 - 351 p.):
Figure 00000014

The Schulman model was intended by the author exclusively for liquids having an initial shear stress τ o . In contrast, using equation (1), pseudoplastic and dilatant systems are described that do not have an initial shear stress, which certainly expands the scope of application of model (1). One of the drawbacks of the Shulman model is that it contains different dimensions determined by different degrees m and n, and for m ≠ n the parameter η p loses its physical meaning. In addition, the determination of 4 parameters of the Shulman model leads to an order of magnitude longer calculation time compared to the determination of 3 coefficients in model (1).

Способ определения параметров модели (1) следующий. Вначале задается степень нелинейности n, при котором уравнение (1) приводится к виду прямой, которую легко обработать методом наименьших квадратов для учета статистической погрешности экспериментов и определить τ 1/n * , μ 1/n * , а соответственно и τ*, μ*. Затем осуществляется перебор n и выбираются те значения коэффициентов, которые приводят к минимуму выражение:

Figure 00000015

Как показала практика исследований более 40 реограмм, снимая установившиеся значения
Figure 00000016
с помощью предлагаемой модели можно с высокой степенью точности описывать реологическое поведение самых различных неньютоновских систем, как обладающих, так и не обладающих пластическими свойствами. При этом обнаружено, что большинство текучих сред лучше описываются как псевдопластики. Средняя погрешность аппроксимации не более 1.5-2.5%, что гораздо ниже по сравнению с другими реологическими моделями /табл. 1-2 /. Таким образом, используя данную реологическую модель, появляется возможность проводить аппроксимацию реограмм и интегрирование уравнений движения на основе единой функциональной зависимости.The method for determining the parameters of the model (1) is as follows. First, the degree of nonlinearity n is set at which equation (1) is reduced to a straight line that can be easily processed using the least squares method to take into account the statistical error of experiments and determine τ 1 / n * , μ 1 / n * , and, accordingly, τ * , μ * . Then n is enumerated and those coefficient values are selected that minimize the expression:
Figure 00000015

As the practice of research of more than 40 rheograms showed, removing steady-state values
Figure 00000016
Using the proposed model, it is possible to describe with a high degree of accuracy the rheological behavior of the most diverse non-Newtonian systems, both possessing and not possessing plastic properties. It was found that most fluids are better described as pseudoplastics. The average approximation error is not more than 1.5-2.5%, which is much lower compared to other rheological models / table. 1-2 /. Thus, using this rheological model, it becomes possible to approximate rheograms and integrate the equations of motion on the basis of a single functional dependence.

Для учета методической погрешности, вызванной неньютоновскими свойствами, широко известно соотношение Муни-Рабиновича ( например: Леонов Е. Г., Исаев В. И. Гидроаэромеханика в бурении: Учебн. для вузов. - М.: Недра, 1987 - 304 с.) применительно к капиллярным вискозиметрам:

Figure 00000017

Данное выражение можно привести к виду:
Figure 00000018

где Q - расход жидкости,
τст - напряжение на стенке трубы,
Figure 00000019
скорость сдвига на стенке
ΔP - перепад давления,
L,R - длина и радиус капилляра.To account for the methodological error caused by non-Newtonian properties, the Muni-Rabinovich relation is widely known (for example: Leonov E.G., Isaev V.I. Hydroaeromechanics in drilling: Textbook for universities. - M.: Nedra, 1987 - 304 p.) with reference to capillary viscometers:
Figure 00000017

This expression can be reduced to the form:
Figure 00000018

where Q is the fluid flow rate,
τ article - stress on the pipe wall,
Figure 00000019
wall shear rate
ΔP - pressure drop,
L, R is the length and radius of the capillary.

Аппроксимируя параметры

Figure 00000020

подходящей функцией Q/(πR3) = f(τст) и подставляя в уравнения (2) , можно определить истинные значения скоростей сдвига на стенке или методическую погрешность, вызванную неньютоновскими свойствами. По значениям напряжений и истинных скоростей сдвига на стенке строится истинная кривая течения. Недостатками этого способа являются применение только для капиллярных вискозиметров и неустановленный вид функции Q/(πR3) = f(τст).
Задворных В.Н. (Реодинамика нелинейно-вязкопластичных буровых растворов в кольцевом пространстве глубокой скважины. - Дисс...канд. техн. наук. М. МИНГ им. Губкина, 1987 - 171 с.) предлагает сразу учитывать этот тип погрешности, определяя коэффициенты реологической модели Шульмана в уравнениях движения для вискозиметров методом перебора. Однако данный способ существует чисто теоретически - перебор 4 коэффициентов модели, сопряженный с численным подсчетом интеграла, приводит либо к неоправданно завышенному времени счета, либо к неточностям определения коэффициентов.Approximating the parameters
Figure 00000020

with the appropriate function Q / (πR 3 ) = f (τ st ) and substituting into equations (2), one can determine the true values of shear rates on the wall or the methodical error caused by non-Newtonian properties. Using the values of stresses and true shear rates, a true flow curve is constructed on the wall. The disadvantages of this method are the use only for capillary viscometers and the unknown function type Q / (πR 3 ) = f (τ article ).
Zadvornykh V.N. (Reodynamics of nonlinear-viscous-plastic drilling fluids in the annular space of a deep well. - Diss ... candidate of technical sciences. M. MING named after Gubkin, 1987 - 171 pp.) Suggests immediately taking into account this type of error by determining the coefficients of the Shulman rheological model in equations of motion for viscometers by brute force. However, this method exists purely theoretically - enumeration of 4 coefficients of the model, coupled with a numerical calculation of the integral, leads either to unreasonably high calculation time, or to inaccuracies in determining the coefficients.

В ранней работе (Иктисанов В.А. Точное описание реологических характеристик неньютоновских систем, обладающих и не обладающих пластическими свойствами. М., ВНИИОЭНГ, Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений, N9, 1995, с. 51-70 ) опубликован способ учета данного типа погрешности, также связанный с численным подсчетом интеграла и с применением итераций, но без перебора коэффициентов реологической модели. К сожалению, данный способ является громоздким для практического применения. In an early work (VA Iktisanov. An accurate description of the rheological characteristics of non-Newtonian systems with and without plastic properties. M., VNIIOENG, Geology, geophysics and oil field development, N9, 1995, pp. 51-70) a method for accounting for this type of error, also associated with the numerical calculation of the integral and with the use of iterations, but without enumerating the coefficients of the rheological model. Unfortunately, this method is cumbersome for practical use.

В результате в настоящее время исследования на вискозиметрах проводятся без учета методической погрешности, вызванной неньютоновскими свойствами, что приводит к искажению получаемых результатов. As a result, studies on viscometers are currently being conducted without taking into account the methodological error caused by non-Newtonian properties, which leads to a distortion of the results.

Решим задачу определения методической погрешности, вызванной неньютоновскими свойствами, для капиллярных вискозиметров, обладая единой реологической моделью (1). Вначале производится аппроксимация по изложенному выше алгоритму для скорости сдвига на стенке для ньютоновской жидкости 4Q/(πR3) и напряжению τст:

Figure 00000021

Далее из выражения (7) подставляем Q/(πR3) в уравнение (5), дифференцируем и получаем следующее уравнение для истинной скорости сдвига на стенке:
Figure 00000022

Таким образом, используя коэффициенты модели, полученные для уравнения (7) и экспериментальные значения τст, определяем по выражению (8) истинные
Figure 00000023
Обладая значениями
Figure 00000024
получаем истинную кривую течения, которая впоследствии аппроксимируется той же самой моделью (1).Let us solve the problem of determining the methodological error caused by non-Newtonian properties for capillary viscometers, having a single rheological model (1). First, the approximation is made according to the above algorithm for the shear rate on the wall for Newtonian fluid 4Q / (πR 3 ) and stress τ st :
Figure 00000021

Next, from expression (7) we substitute Q / (πR 3 ) into equation (5), differentiate and obtain the following equation for the true shear rate on the wall:
Figure 00000022

Thus, using the coefficients of the model obtained for equation (7) and the experimental values of τ st , we determine from expression (8) the true
Figure 00000023
Possessing values
Figure 00000024
we obtain the true flow curve, which is subsequently approximated by the same model (1).

Методическую погрешность определения скорости сдвига, вызванную неньютоновскими свойствами, σ для капиллярных вискозиметров, довольно просто определить, взяв соотношение уравнения (8) к выражению (7):

Figure 00000025

Решим задачу учета методической погрешности для ротационных вискозиметров. Для течения Куэтта при вращении внешнего цилиндра с угловой скоростью w2 можно вывести следующее уравнение:
Figure 00000026

для вязкопластиков: τz= τo при τ1> τo> τ1δ2, τz= τ1δ2 при τo< τ1δ2,
для псевдопластиков и дилатантных: τz= τ1δ2.
Повторяя те же выкладки, но для условия, когда внешний цилиндр неподвижный (w2 = 0), а внутренний вращается с угловой скоростью w1 в направлении, противоположном w2, получаем:
Figure 00000027

для вязкопластиков: τz= τo при τ22> τo> τ2, τz= τ2 при τo< τ2,
для псевдопластиков и дилатантных: τz= τ2,
где τ1, τ2 - напряжения на внутреннем и внешних цилиндрах,
R1, R2 - радиусы внутреннего и внешнего цилиндров,
δ = R1/R2 - относительный кольцевой зазор.The methodological error in determining the shear rate caused by non-Newtonian properties, σ for capillary viscometers, is quite simple to determine by taking the ratio of equation (8) to expression (7):
Figure 00000025

We solve the problem of accounting for the methodological error for rotational viscometers. For the Couette flow during the rotation of an external cylinder with an angular velocity w 2 , the following equation can be derived:
Figure 00000026

for viscoplastics: τ z = τ o for τ 1 > τ o > τ 1 δ 2 , τ z = τ 1 δ 2 for τ o1 δ 2 ,
for pseudoplastics and dilatant: τ z = τ 1 δ 2 .
Repeating the same calculations, but for the condition when the outer cylinder is stationary (w 2 = 0) and the inner cylinder rotates with an angular velocity w 1 in the direction opposite to w 2 , we get:
Figure 00000027

for viscoplastics: τ z = τ o for τ 2 / δ 2 > τ o > τ 2 , τ z = τ 2 for τ o2 ,
for pseudoplastics and dilatant: τ z = τ 2 ,
where τ 1 , τ 2 - stresses on the inner and outer cylinders,
R 1 , R 2 - the radii of the inner and outer cylinders,
δ = R 1 / R 2 is the relative annular gap.

Для ньютоновской жидкости, когда f(τ) = τ/μ, значения интегралов (10) и (11) равны:

Figure 00000028

Figure 00000029

Таким образом, для ньютоновской жидкости достаточно построения кривой течения по следующим параметрам:
Figure 00000030

или
Figure 00000031

где
Figure 00000032
скорости сдвига для ньютоновской среды на внутреннем и внешнем цилиндрах,
M - момент сил, L - высота цилиндра.For a Newtonian fluid, when f (τ) = τ / μ, the values of integrals (10) and (11) are equal to:
Figure 00000028

Figure 00000029

Thus, for a Newtonian fluid, it suffices to construct a flow curve using the following parameters:
Figure 00000030

or
Figure 00000031

Where
Figure 00000032
shear rates for a Newtonian medium on the inner and outer cylinders,
M is the moment of forces, L is the height of the cylinder.

Момент сил, снимаемый с внешнего или с внутреннего цилиндров, равен по модулю и различен только по направлению. Эффективная вязкость, определенная по значениям параметров (13) и (14), одинакова. Таким образом, независимо от того, какой из цилиндров вращается и с какого из них снимается момент сил, построение кривой течения можно проводить либо по уравнениям (13), либо по (14). Поэтому достаточно рассмотреть поставленную задачу при использовании напряжения и скорости сдвига для одного из цилиндров, например, для внутреннего цилиндра по уравнению (13). The moment of forces removed from the external or internal cylinders is equal in magnitude and is different only in direction. The effective viscosity determined by the values of parameters (13) and (14) is the same. Thus, irrespective of which cylinder rotates and with which of them the moment of forces is taken, the construction of the flow curve can be carried out either according to equations (13) or according to (14). Therefore, it is enough to consider the problem when using stress and shear rate for one of the cylinders, for example, for the inner cylinder according to equation (13).

Выражения (13), (14) выведены для ньютоновской среды, однако они повсеместно используются и для неньютоновских систем, что безусловно искажает действительную кривую течения. Для ротационных вискозиметров из уравнений ( 10), (11), учитывая, что

Figure 00000033
можно получить следующее выражение, аналогичное уравнению Муни-Рабиновичу для капиллярного вискозиметра:
Figure 00000034

Figure 00000035

при условии существования неподвижного ядра для вязкопластиков в зазоре, т.е. при τ1> τo> τ1δ2.
Из уравнения (15) следует, что разность истинных скоростей сдвига равна:
f(τ1)-f(τ1δ2) = 2τ1dw2/dτ1= 2τ1dw1/dτ1 (16)
Чтобы решить поставленную задачу учета методической погрешности для ротационных вискозиметров, вначале произведем аппроксимацию параметров τ1 и 2w2/(1-δ2) или 2w1/(1-δ2) реологическим уравнением (1) :
Figure 00000036

В результате дифференцирования w2 или w1 из выражения (17) уравнение (16) можно привести к виду:
Figure 00000037

В отличие от соотношения (5) для капиллярного вискозиметра в данном случае присутствуют две неизвестные истинные скорости сдвига. Для того, чтобы определить истинную скорость сдвига на внутреннем цилиндре, необходимо знать соотношение истинных скоростей сдвига на внешнем и внутреннем цилиндрах. В первом приближении можно принять, что данное соотношение определяется с помощью коэффициентов модели для уравнения (17):
Figure 00000038

Впоследствии, определяя по уравнению (18) уточненные скорости сдвига, вновь производится аппроксимация и определяются более точные коэффициенты реологической модели. Далее уточняется соотношение скоростей сдвига (19) для новых коэффициентов модели и все повторяется вновь. При этом в выражении (18) коэффициенты не меняются. Как показала практика, достаточно 3-8 итераций для определения истинных скоростей сдвига и коэффициентов модели, описывающих истинную реограмму.Expressions (13), (14) are derived for the Newtonian medium, however, they are universally used for non-Newtonian systems, which certainly distorts the actual flow curve. For rotational viscometers from equations (10), (11), given that
Figure 00000033
you can get the following expression, similar to the Muni-Rabinovich equation for a capillary viscometer:
Figure 00000034

Figure 00000035

subject to the existence of a fixed core for viscoplastics in the gap, i.e. when τ 1 > τ o > τ 1 δ 2 .
From equation (15) it follows that the difference in true shear rates is equal to:
f (τ 1 ) -f (τ 1 δ 2 ) = 2τ 1 dw 2 / dτ 1 = 2τ 1 dw 1 / dτ 1 (16)
To solve the problem of accounting for the methodological error for rotational viscometers, we first approximate the parameters τ 1 and 2w 2 / (1-δ 2 ) or 2w 1 / (1-δ 2 ) with the rheological equation (1):
Figure 00000036

As a result of differentiation of w 2 or w 1 from the expression (17), equation (16) can be reduced to the form:
Figure 00000037

In contrast to relation (5) for a capillary viscometer, in this case there are two unknown true shear rates. In order to determine the true shear rate on the inner cylinder, it is necessary to know the ratio of the true shear rates on the outer and inner cylinders. In a first approximation, we can assume that this ratio is determined using the model coefficients for equation (17):
Figure 00000038

Subsequently, determining the specified shear rates by equation (18), the approximation is again performed and more accurate coefficients of the rheological model are determined. Next, the ratio of shear rates (19) for the new model coefficients is specified and everything is repeated again. Moreover, in expression (18), the coefficients do not change. As practice has shown, 3-8 iterations are enough to determine the true shear rates and model coefficients that describe the true rheogram.

Методическая погрешность, вызванная неньютоновскими свойствами, определяется отношением истинной скорости сдвига из уравнения (18) к скорости сдвига для ньютоновских сред по уравнению (17). The methodological error caused by non-Newtonian properties is determined by the ratio of the true shear rate from equation (18) to the shear rate for Newtonian media according to equation (17).

Анализируя уравнение (18) для ротационных вискозиметров и уравнение (8) для капиллярного вискозиметра, можно отметить, что неучет методической погрешности приводит к завышенной эффективной вязкости для вязко- и псевдопластиков и к заниженной эффективной вязкости для дилатантных систем. Для капиллярного вискозиметра истинная скорость сдвига на стенке не зависит от радиуса капилляра, а является только функцией напряжения на стенке и коэффициентов модели. Для ротационных вискозиметров рассматриваемая методическая погрешность помимо коэффициентов модели зависит от величины относительного кольцевого зазора δ. При δ → 1 для ротационных вискозиметров методической погрешностью можно пренебречь. Однако на практике уменьшение δ ведет к трудностям, а иногда и невозможности исследования высоковязких и грубодисперсных неньютоновских систем. Analyzing equation (18) for rotational viscometers and equation (8) for a capillary viscometer, it can be noted that neglecting the methodological error leads to an overestimated effective viscosity for visco- and pseudoplastics and to an underestimated effective viscosity for dilated systems. For a capillary viscometer, the true shear rate on the wall does not depend on the radius of the capillary, but is only a function of the wall voltage and model coefficients. For rotational viscometers, the considered methodological error, in addition to the model coefficients, depends on the value of the relative annular gap δ. At δ → 1, for rotational viscometers, the methodological error can be neglected. However, in practice, a decrease in δ leads to difficulties, and sometimes the impossibility of studying highly viscous and coarse non-Newtonian systems.

По предлагаемому алгоритму точного описания неньютоновских флюидов создана пользовательская программа для IBM PC. Обработка экспериментальных данных свидетельствует, что методическая погрешность в общем случае невелика 1-3% /табл. 3, 4 /. Однако при исследовании систем с ярко выраженными неньютоновскими свойствами на вискозиметрах с широким кольцевым зазором (δ < 0,98) методическая погрешность может быть значительной и достигать 20% /табл. 5/ и более. Using the proposed algorithm for the exact description of non-Newtonian fluids, a user program for IBM PC has been created. Processing of experimental data indicates that the methodological error in the general case is small 1-3% / table. 3, 4 /. However, when studying systems with pronounced non-Newtonian properties on viscometers with a wide annular gap (δ <0.98), the methodological error can be significant and reach 20% / table. 5 / or more.

Таким образом, используя предлагаемую реологическую модель, возможно проведение аппроксимаций реограмм и интегрирование уравнений движений на основе единой зависимости. Применяя данный способ определения истинных реологических характеристик, появляется возможность проводить обработку исследований на ротационных вискозиметрах с различной величиной зазора и на капиллярных вискозиметрах с различными диаметрами для самых разнообразных текучих сред с высокой степенью точности. Thus, using the proposed rheological model, it is possible to carry out approximations of rheograms and integrate the equations of motion on the basis of a single relationship. Using this method of determining the true rheological characteristics, it becomes possible to conduct research processing on rotational viscometers with various clearance and on capillary viscometers with different diameters for a wide variety of fluids with a high degree of accuracy.

Повышение степени точности описания различных неньютоновских систем в свою очередь приводит к повышению точности гидродинамических расчетов течений этих систем в трубах, кольцевых каналах, пористой среде, струях, пограничных слоях; к более точному прогнозированию и созданию новых материалов с заданными свойствами. An increase in the degree of accuracy in describing various non-Newtonian systems, in turn, leads to an increase in the accuracy of hydrodynamic calculations of the flows of these systems in pipes, annular channels, a porous medium, jets, and boundary layers; to more accurate forecasting and creation of new materials with desired properties.

Источники информации:
1. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении: Учебн. для вузов. - М.: Недра, 1987 - 304 с.
Sources of information:
1. Leonov E.G., Isaev V.I. Hydroaeromechanics in drilling: Textbook. for universities. - M .: Nedra, 1987 - 304 p.

2. Шульман 3.П. Конвективный тепломассоперенос реологически сложных жидкостей. М.: Энергия, 1975 - 351 с. 2. Shulman 3.P. Convective heat and mass transfer of rheologically complex liquids. M .: Energy, 1975 - 351 p.

3. Иктисанов В.А. Точное описание реологических характеристик неньютоновских систем, обладающих и не обладающих пластическими свойствами. М., ВНИИОЭНГ, Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений, N9, 1995, с. 51-70
4. Реодинамика нелинейно-вязкопластичных буровых растворов в кольцевом пространстве глубокой скважины. - Дисс... канд. техн. наук. М. МИНГ им. Губкина, 1987 - 171 с.
3. Iktisanov V.A. An accurate description of the rheological characteristics of non-Newtonian systems with and without plastic properties. Moscow, VNIIOENG, Geology, geophysics and oil field development, N9, 1995, p. 51-70
4. Rheodynamics of nonlinear visco-plastic drilling fluids in the annular space of a deep well. - Diss ... cand. tech. sciences. M. MING them. Gubkina, 1987 - 171 p.

Claims (1)

Способ определения установившихся реологических характеристик текучей среды, включающий экспериментальное получение ее реологической кривой напряжение - скорость сдвига с последующим математическим описанием этой кривой путем аппроксимации, снятых в эксперименте, установившихся значений напряжений и скоростей сдвига, отличающийся тем, что при аппроксимации экспериментальных значений, полученных при исследовании как на ротационных, так и на капиллярных вискозиметрах, используют реологическую модель, описываемую уравнением
Figure 00000039

где n - показатель нелинейности;
τ** - установившиеся реологические характеристики;
i = 1; 0; -1,
при i = 1, n > 0 описываются вязкопластики τ*= τ0, μ*= ηp, n < 0 - псевдопластики τ*= τ, μ*= μ0;
при i = -1, n < 0 - дилатантные системы
Figure 00000040

при i = 0 - ньютоновские жидкости μ*= μ, где τ - напряжение сдвига;
Figure 00000041
скорость сдвига;
τ0 - начальное напряжение сдвига;
ηp - пластическая вязкость;
μ0 - вязкость при малых скоростях сдвига;
μ - ньютоновская вязкость;
τ - напряжение, к которому стремится кривая течения при бесконечной скорости сдвига является фиктивным параметром;
Figure 00000042
скорость сдвига, к которой стремится кривая течения при приложении напряжения, стремящегося к бесконечности, является фиктивным параметром.
A method for determining the steady-state rheological characteristics of a fluid, including experimentally obtaining its rheological stress-shear curve, followed by a mathematical description of this curve by approximating, measured in the experiment, steady-state stresses and shear rates, characterized in that when approximating the experimental values obtained in the study both rotational and capillary viscometers use a rheological model described by the equation
Figure 00000039

where n is an indicator of nonlinearity;
τ * , μ * - steady-state rheological characteristics;
i = 1; 0; -1,
for i = 1, n> 0, viscoplastics τ * = τ 0 , μ * = η p , n <0 are described; pseudoplastics τ * = τ , μ * = μ 0 ;
for i = -1, n <0 - dilatant systems
Figure 00000040

at i = 0 - Newtonian fluids μ * = μ, where τ is the shear stress;
Figure 00000041
shear rate;
τ 0 is the initial shear stress;
η p is the plastic viscosity;
μ 0 - viscosity at low shear rates;
μ is the Newtonian viscosity;
τ - the stress to which the flow curve tends at an infinite shear rate is a dummy parameter;
Figure 00000042
the shear rate to which the flow curve tends when applying a voltage tending to infinity is a dummy parameter.
RU96111753A 1996-06-11 1996-06-11 Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media RU2129264C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96111753A RU2129264C1 (en) 1996-06-11 1996-06-11 Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96111753A RU2129264C1 (en) 1996-06-11 1996-06-11 Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU96111753A RU96111753A (en) 1998-09-27
RU2129264C1 true RU2129264C1 (en) 1999-04-20

Family

ID=20181824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96111753A RU2129264C1 (en) 1996-06-11 1996-06-11 Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2129264C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2192629C2 (en) * 2001-01-15 2002-11-10 Пермский государственный технический университет Device for evaluating flow characteristics of polymeric materials

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4798081A (en) * 1985-11-27 1989-01-17 The Dow Chemical Company High temperature continuous viscometry coupled with analytic temperature rising elution fractionation for evaluating crystalline and semi-crystalline polymers
US4862384A (en) * 1987-08-03 1989-08-29 Rockwell International Corporation Method of measuring the dynamic viscosity of a viscous fluid utilizing acoustic transducer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4798081A (en) * 1985-11-27 1989-01-17 The Dow Chemical Company High temperature continuous viscometry coupled with analytic temperature rising elution fractionation for evaluating crystalline and semi-crystalline polymers
US4862384A (en) * 1987-08-03 1989-08-29 Rockwell International Corporation Method of measuring the dynamic viscosity of a viscous fluid utilizing acoustic transducer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении.-М.: Недра, 1987, с.304. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2192629C2 (en) * 2001-01-15 2002-11-10 Пермский государственный технический университет Device for evaluating flow characteristics of polymeric materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fredrickson A model for the thixotropy of suspensions
Edvinsson et al. Finite‐element analysis of Taylor flow
Tang et al. Estimation of the parameters of Herschel-Bulkley fluid under wall slip using a combination of capillary and squeeze flow viscometers
Nguyen et al. Incompressible non-Newtonian fluid flows
Sisavath et al. Laminar flow through irregularly-shaped pores in sedimentary rocks
Savins Generalized Newtonian (pseudoplastic) flow in stationary pipes and annuli
Praveen et al. The determination of the true equilibrium flow curve for fluid mud in a wide-gap Couette rheometer
Fayed et al. On laminar flow of non-Newtonian fluids in porous media
RU2129264C1 (en) Procedure of precise determination of steady-state rheological characteristics of various fluid media
Anguiano et al. Effective models for generalized Newtonian fluids through a thin porous medium following the Carreau law
Broboana et al. Influence of patterned surface in the rheometry of simple and complex fluids
Ofoche et al. Predictive modelling of drilling fluid rheology: numerical, analytical, experimental and statistical studies of marsh funnel flow
Walters et al. Measurement of viscosity
Fan et al. A numerical study of viscoelastic effects in chaotic mixing between eccentric cylinders
Nagy-György et al. A graphical technique for solving the Couette-Poiseuille Problem for Generalized Newtonian Fluids
Freitas et al. Immiscible Newtonian displacement by a viscoplastic material in a capillary plane channel
Savins et al. The differentiation method in rheology: I. poiseuille-type flow
Darby Take the mystery out of non-newtonian fluids
Clark Stimulation Fluid Rheology-A New Approach
Gavignet et al. Computer processing improves hydraulics optimization with new methods
Selby The scanning Brookfield technique of low-temperature, low-shear Rheology--its inception, development, and applications
Chan et al. Coating rheology
Bates et al. The importance of oil elasticity
Jiang et al. A New Derivation for the Apparent Permeability Model Applied to the Full Knudsen Number Range
Ashena Stepwise derivation and comparison of the Herschel–Bulkley Laminar Fluid Flow equations—in Annulus