基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法及系统

技术领域

本发明涉及流变学技术领域，尤其涉及一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法及系统。

背景技术

流变仪的测试是一个由众多因素影响的复杂问题，旋转流变测试在测试过程中，由于转子带动流体运动所产生的粘滞力作用于传感器表面而形成扭矩(一般情况传感器即为转子)。传统的流变仪直接给出的剪切应力数据，是根据在无壁面滑移情况下牛顿流体的计算公式得到的，但是无法精确得到非牛顿流体的流变曲线，从而使得非牛顿流体本构模型的参数辨识出现偏差。即使是通过微分获得了无壁面滑移情况下非牛顿流体的流变曲线，传统的处理方法也没有考虑可能对影响测试结果的壁面滑移。

目前学术上求流体与固体界面间的滑移曲线或滑移本构方程时，是通过预先给定壁滑移的本构模型，再在积分以及微分后，最后进行滑移本构方程的模型的参数拟合。而对模型的积分和微分，会带来计算的复杂性，同时实际情况与模型不匹配并导致较大偏差。

因此，现在亟需一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法及系统来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法，包括：

使用平行板结构的旋转流变测试，并在测试过程中将转子半径设为定值，将转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距设为变量；

当检测到所述转子的转速变化时，对流场拓扑结构不变的流场进行无差压缩，得到简单剪切流场模型；

根据所述简单剪切流场模型，得到壁面滑移曲线。

进一步地，所述使用平行板结构的旋转流变测试，包括：

先测试无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，后测试特性未知的壁面。

进一步地，所述先测试无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，包括：

进行差分或微分处理，得到流体精确的流变曲线；

根据所述流体精确的流变曲线，确定对应的模型拟合出流体的本构方程。

进一步地，所述后测试特性未知的壁面，包括：

进行差分或微分处理，得到简单剪切形式的精确方程；

基于所述简单剪切形式的精确方程和所述流体的本构方程，得到流体与固体界面间的滑移曲线。

进一步地，所述进行差分或微分处理，得到流体精确的流变曲线，包括：

通过改变剪切面的间距，从而改变剪切流动和壁面滑移在总移动速度的占比，以实现所述剪切流动和壁面滑移的解耦。

进一步地，在所述通过改变剪切面的间距，从而改变剪切流动和壁面滑移在总移动速度的占比，以实现所述剪切流动和壁面滑移的解耦之后，所述方法还包括：

根据解耦获得的解耦方程，变换壁面间距，以提高数据的准确性。

进一步地，所述方法还包括：

若不能获取无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，则选用两块相同的特性未知壁面进行测试。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的系统，包括：

测试模块，用于使用平行板结构的旋转流变测试，并在测试过程中将转子半径设为定值，将转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距设为变量；

无差压缩模块，用于当检测到所述转子的转速变化时，对流场拓扑结构不变的流场进行无差压缩，得到简单剪切流场模型；

曲线计算模块，用于根据所述简单剪切流场模型，得到壁面滑移曲线。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法及系统，使用加装平行板结构的旋转流变仪进行测试，可以直接由流变仪给出所需数据，相较于传统的管道压力流模式要更加简单，所需的样品量也更少，仪器的清理与维护也更加简单；在不代入流体与滑移模型的前提下，直接对原始数据进行微分处理，将研究问题简化为简单剪切流，同时保留了原有流场的准确描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的平行板结构的流场示意图；

图3为本发明实施例提供的壁面滑移条件下的简单剪切流示意图；

图4为本发明实施例提供的椎板-椎板流变测试结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的平行板结构不同工况的流场示意图；

图6为本发明实施例提供的同心圆流变测试结构示意图；

图7为本发明实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前学术上求流体与固体界面间的滑移曲线或滑移本构方程时，是通过预先给定壁滑移的本构模型，再在积分以及微分后，最后进行滑移本构方程的模型的参数拟合。而对模型的积分和微分，会带来计算的复杂性，实际情况与模型不匹配将导致较大偏差，需要一种可以直接对数据进行处理，而非对代入模型的方程进行处理的方法。同时，现有对壁滑移的讨论，主要集中在简单剪切流和泊肃叶流(压力流)的情况下，因此需要一种测试结构和方法，可以在存在壁滑移的情况下，将其转化为简单剪切流和泊肃叶流(压力流)。

图1为本发明实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线方法流程示意图，包括：

步骤101，使用平行板结构的旋转流变测试，并在测试过程中将转子半径设为定值，将转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距设为变量；

步骤102，当检测到所述转子的转速变化时，对流场拓扑结构不变的流场进行无差压缩，得到简单剪切流场模型；

步骤103，根据所述简单剪切流场模型，得到壁面滑移曲线。

在本发明实施例中，通过使用平行板结构的旋转流变测试，在测试过程中，转子半径为定值，调节的变量为转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距。无论壁面滑移情况是否出现，当仅有转子转速变化时，部分流场拓扑结构不变，对这一部分流场可以进行无差压缩，并可以通过对测得数据进行差分和微分处理，将问题近似简化为简单剪切流场问题，从而避免了代入模型进行微分或积分运算所带来的复杂工作。

进一步地，图2为本发明实施例提供的平行板结构的流场示意图，图3为本发明实施例提供的壁面滑移条件下的简单剪切流示意图，对于壁面滑移存在的情况，测试所得的剪切速率

而对于半径r处的流场则可表示为：

其中，χ(τ)为表达滑移的函数，

对于在无滑移情况下的转化，无滑移时，χ(τ)≡0，

上式对

整理可得：

进一步地，变化转速Ω，高度h不变时，根据前式

再代入

有上述公式可知

当Δ→d取微量时，Ω＞＞dΩ,M＞＞ΔM，得：

针对上式进行移项后可得：

此即为

进一步地，在变化高度h，转速Ω不变时，因为

通过上述实施例可知，存在壁面滑移时，精确测试需使用定高度，变转速的方式获得。此处的精确测试所指并非直接得出精确的本构方程，而是得出精确的

进一步地，令

首先，针对

进一步地，若欲在R处获得一系列τ

即：

从上式不难发现，此时的控制是不能单纯的扭矩或转速控制，而是涉及到上一次测试条件的动态调节过程。

由于M给定Ω即给定，而上一实施例中给定了M

其中，

针对KK结构的流场方程不难发现：其Ω变化时，若保持r

本发明实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法，使用加装平行板结构的旋转流变仪进行测试，可以直接由流变仪给出所需数据，相较于传统的管道压力流模式要更加简单，所需的样品量也更少，仪器的清理与维护也更加简单；在不代入流体与滑移模型的前提下，直接对原始数据进行微分处理，将研究问题简化为简单剪切流，同时保留了原有流场的准确描述。

在上述实施例的基础上，所述使用平行板结构的旋转流变测试，包括：

先测试无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，后测试特性未知的壁面。

在本发明实施例中，因为流变方程和滑移方程分别为流体及流体与壁面界面的特性，因此需要指定流体和壁面，本发明实施例选用无滑移的壁面是为了获得单纯、准确的流体流变曲线。

根据此前阐述，定R和h，变化Ω时，平行板流场拓扑结构不变，因此每次测试都在选定R和h的情况下，变化Ω，测试M随其变化的M-Ω曲线数据。

在上述实施例的基础上，所述先测试无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，包括：

进行差分或微分处理，得到流体精确的流变曲线；

根据所述流体精确的流变曲线，确定对应的模型拟合出流体的本构方程。

在本发明实施例中，在无滑移条件下(滑移模型已知的情况更为复杂，此处不做说明)，给出流体的准确应力-剪切速率曲线为：

在本发明实施例中，可以用最小二乘法之类的方法综合各h下的数据来提高数据的精度。

另外，以H-B模型为例，说明流变仪直接给出数据的偏差情况：

H-B模型的流变本构模型为

当扭矩M则为：

流变仪直接给出的应力值为：

由此可知，对m无影响；τ

然后，选取模型拟合流变曲线，得到相应的本构方程，此处模型的选取可以根据实际需求来进行，但是为保证后续滑移模型的准确性，所选模型与流变曲线的偏差值应尽可能的小(建议相关性R值不小于95％)。

在上述实施例的基础上，所述后测试特性未知的壁面，包括：

进行差分或微分处理，得到简单剪切形式的精确方程；

基于所述简单剪切形式的精确方程和所述流体的本构方程，得到流体与固体界面间的滑移曲线。

进一步地，换用一个或两个相同的滑移壁面，重复上述过程，得到含壁滑的简单剪切流的流变曲线；

在本发明实施例中，获得含壁滑的简单剪切流的流变曲线的方法与上述无滑移情况下的类似，计算公式为：

但是，流变方程中含有一项滑移函数项，对于一个或两个相同的滑移壁面，该项分别为一倍和两倍。

仅替换一个滑移壁面(下壁)：

替换两个相同的滑移壁面：

需要说明的是，在此时若对数据要求不高，即可代入流体的本构方程和壁面间距h，从而求出滑移曲线。

在上述实施例的基础上，所述进行差分或微分处理，得到流体精确的流变曲线，包括：

通过改变剪切面的间距，从而改变剪切流动和壁面滑移在总移动速度的占比，以实现所述剪切流动和壁面滑移的解耦。

在上述实施例的基础上，在所述通过改变剪切面的间距，从而改变剪切流动和壁面滑移在总移动速度的占比，以实现所述剪切流动和壁面滑移的解耦之后，所述方法还包括：

根据解耦获得的解耦方程，变换壁面间距，以提高数据的准确性。

在本发明实施例中，变换壁面间距h，重复上述过程，解耦壁滑和剪切运动，综合数据提高精度；

根据前述的等式

反变换得

进一步地，

最后代入流体本构方程，获得滑移曲线，再拟合滑移模型。

在本发明实施例中，模型的选取可以根据实际需求来进行，在满足滑移曲线所表现出的基本特性前提下，让偏差值尽可能的小。

在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

若不能获取无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，则选用两块相同的特性未知壁面进行测试。

在本发明实施例中，如不能获得上述实施例所述的无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，但仍需获知流体流变数据和流体与壁面间的滑移数据，则需要对剪切壁面的选材有所要求，具体为，选用两块相同的特性未知壁面进行测试。需要说明的是，由于欲令转盘边缘处剪切应力τ

图7为本发明实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的系统的结构示意图，如图7所示，本发明实施例提供一种基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的系统，包括测试模块701、无差压缩模块702以及曲线计算模块703，其中，测试模块701用于使用平行板结构的旋转流变测试，并在测试过程中将转子半径设为定值，将转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距设为变量；无差压缩模块702用于当检测到所述转子的转速变化时，对流场拓扑结构不变的流场进行无差压缩，得到简单剪切流场模型；曲线计算模块703用于根据所述简单剪切流场模型，得到壁面滑移曲线。

本发明实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的系统，使用加装平行板结构的旋转流变仪进行测试，可以直接由流变仪给出所需数据，相较于传统的管道压力流模式要更加简单，所需的样品量也更少，仪器的清理与维护也更加简单；在不代入流体与滑移模型的前提下，直接对原始数据进行微分处理，将研究问题简化为简单剪切流，同时保留了原有流场的准确描述。

在上述实施例的基础上，所述测试模块包括测试子单元，用于先测试无滑移壁面或与流体间滑移特性已知的壁面，后测试特性未知的壁面。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图8为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图8，该电子设备可以包括：处理器(processor)801、通信接口(Communications Interface)802、存储器(memory)803和通信总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过通信总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行如下方法：使用平行板结构的旋转流变测试，并在测试过程中将转子半径设为定值，将转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距设为变量；当检测到所述转子的转速变化时，对流场拓扑结构不变的流场进行无差压缩，得到简单剪切流场模型；根据所述简单剪切流场模型，得到壁面滑移曲线。

此外，上述的存储器803中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于平行板流变测试得到壁面滑移曲线的方法，例如包括：使用平行板结构的旋转流变测试，并在测试过程中将转子半径设为定值，将转子的转速、剪切面的材料和剪切面的间距设为变量；当检测到所述转子的转速变化时，对流场拓扑结构不变的流场进行无差压缩，得到简单剪切流场模型；根据所述简单剪切流场模型，得到壁面滑移曲线。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。