原油流变学

原油流变学授课教师：魏爱军授课班级：储运1001～081201参考书：1.李传宪、罗哲鸣编著.原油流变性及测量.山东东营：石油大学出版社.1994.82.沈崇棠、刘鹤年合编.非牛顿流体力学及其应用.北京：高等教育出版社.1989.33.黄逸仁编.非牛顿流体流动及流变性测量.四川成都：成都科技大学出版社.1993.94.罗塘湖编著.含蜡原油流变特性及其管道输送.北京：石油工业出版社.19905.其它一些参考书。课程简单介绍及一些具体要求：1.考试课，统一考试。2.总学时36，理论讲授33学时，实验3学时。3.考试成绩70％，平时成绩(出勤、作业、课堂表现)20％，实验成绩10％4.课程名称为“流变学”，实际为“非牛顿流体力学”，更具体应为“原油流变性及其测量”5.主要讲授的内容：流变学基础、流变性测量、结合专业实际讲原油的流变性、原油流变性的评价与测量。第一章绪论流变学(Rheology)是研究物质变形与流动的科学(thescienceofdeformationandflowofmaterial)。实际物质在外力作用下怎样变形与流动，这是物质本身固有的性质，可以称其为物质的流变性(即物质在外力作用下变形与流动的性质)。流变学就是研究物质流变性的科学。§1.1流变学概念流变学是一门既古老又年青的科学。早在公元前1500年，人们对流变学就有了肤浅的认识，例如，埃及人发明了一种称为水钟的陶瓷制品，其形状是一个圆锥形容器，底部开有一小孔，用以测定容器内水层高度与时间的关系以及温度对流体粘度的影响。但总的来说，流变学在16世纪以前发展比较缓慢。16世纪以后，流变学获得了比较迅速的发展：Boyle提出理想气体的定律(PV=C，1662年)；Calileo提出液体具有内聚粘性概念；Hooke建立了弹性固体的应力与应变关系(σ=Eε，1678年)；Newton阐明了牛顿流体流动阻力与剪切速率之间有正比关系(1687年)，（实际上，当时Newton是以假说形式提出的这一定律，19世纪末叶，德国的Ostwald在Poisuille定律公式的基础上推导出具体的牛顿流体定律公式）这些发现尤其是牛顿流动定律，对流变学的发展起着十分重要的作用；19世纪由德国土木学家Hagen和法国血液医学科学家Poiseuille建立的Hagen&Poiseuille方程(Q=πD4ΔP/128μL)，标志了流变学的重大发展。在流变学发展过程中，美国物理化学家E.C.Bingham教授作出了划时代的贡献。他不仅发现了一类所谓Bingham流体(如润滑油、油漆、泥浆等)的流动规律，而且把20世纪以前积累下来的有关流变学的零碎知识进行了系统的归纳，并正式命名为流变学(Rheology)。1929年Bingham等倡议成立了美国流变学会(societyofrheologyofUSA)，且同年创刊流变学杂志(JournalofRheology)。人们一般以此作为流变学(作为学科)创立的标志。以后流变学逐步被欧、美、亚等各大洲的许多国家所承认。目前全世界许多国家都有自己的流变学会，1948年在荷兰召开了第一届国际流变学会议，以后每4年举行一届国际流变学会议。我国在流变学方面的工作是从新中国成立后才开始的，特别是改革开放以来，在科学技术和工业发展的促进下，无论是在广度还是在深度，流变学在我国都有了很大的发展。我国于1985年11月在长沙召开第一届全国流变学会议，至今已召开了5届全国流变学会议。有关原油流变学的基本知识在输油管道行业的工程技术人员中越来越普及。国内流变学界某权威人士曾指出,石油行业(包括储运、开发等)是国内流变学应用及普及工作做得较好的行业。按照流变学的定义，它几乎研究所有物质在外力作用下的变形或流动问题，包括经典的Hooke固体和Newton粘性液体这样的极端。但实际上这些经典极端总是被认为超出了现代流变学研究的范围。弹性力学是研究纯弹性物体的受力与变形问题，流体力学则研究牛顿流体的受力与流动问题，在这两个极端情况下，物质的受力与变形或流动的关系比较简单。而许多实际材料的受力变形或流动性质处于上述两个极端特性之间，这些材料不能用任一传统的力学模型来进行适当的描述，那么，流变学就是专门对这类材料的受力与变形或流动问题进行研究。所以，流变学研究的是纯弹性固体和牛顿流体状态之间所有物质的变形与流动问题。流变学的发展有着密切的工业背景，本来流变学就是应工业的需要而发展起来的，因此，流变学在各工业领域的研究发展产生了许多对应的流变学分支，象聚合物加工流变学、生物流变学、药品流变学、食品流变学、石油流变学、土壤流变学等等。§1.2流体的粘度速度分布规律图§1.3力、形变和流动在传统上流变学作为力学的一个分支，因为物质的流变性是应用力学的基本原理来确定的，尽管流变学更注重不同物质的力学性质与其内部结构之间的关系，而不限于力学本身。应用力学原理确定引起物质运动的力是动力学问题。流变学中物质所受到的力用应力或应力张量表示。当受到一定的应力作用后，所有物质都不同程度地变形，如果是流体则变形是连续的，即产生流动。对这些变形或运动状态的描述则是运动学问题。流变学中用应变或应变速率表示物质的运动状态即变形或流动。一、连续介质(continuum)的概念流体质点就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连绵不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质。物质被看成是连续介质，就摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观运动，那么反映宏观物质的各种物理性质都是空间坐标的连续函数，在解决流变学问题时，就可应用数学分析中的连续函数概念进行数学解析。当所研究的物体大小与物质分子的平均自由行程在同一个数量级时，连续介质模型是不适用的。二、连续介质中的力在流变学中，作用在质点上的力用应力表示1、应力矢量(stressvector)假定作用于p点的力为F，那么p点的应力矢量定义为：微元表面的取向不同，应力矢量T(n)值不同，即应力矢量是微元表面法向单位矢量n的函数，这是应力矢量的一个重要特征。应力矢量可以分解为法向应力(沿作用面法线方向)和切向应力(或称剪切应力)(沿作用面切向)，法向应力和切向应力也均是矢量。AFnTA0lim)(2、应力张量(stresstensor)由于过一点的作用面方向可任意选取，该点处应力矢量的大小和方向也随之改变，所以，一点的应力状态不能用一个固定的应力矢量来描述，而要用九个分量组成的应力张量来描述。每个分量的第一个下标表示应力分量作用面的法线方向，第二个下标表示应力分量的方向。zzzyzxyzyyyxxzxyxxTTTTTTTTTT三、连续介质中的形变与流动物质变形(包括流动)的基本特征是其中各点发生了一定的相对移动。根据连续介质的概念，可以把物质的状态定义为构成物质的质点在空间位置上占据一定的位置，形成一种确定的构形，因此决定物质状态的是质点构成相对于某一参照系的确定位置。从此意义上讲，物质状态的变化称为变形，而物质连续无限地变形就是流动。流变学中有三种基本变形：简单拉伸、简单剪切和体积压缩与膨胀。简单拉伸：物体只在一个方向(受力方向)上产生拉伸应变。长细比很大的杆件单向拉伸时，只能度量出拉伸方向的应变。拉伸应变(extensionalstrain)：应变速率(extensionalstrainrate)：xdxxx/dtdxdtdxxxxx//简单剪切：平行于力作用方向的相邻面之间产生相对移动，这是一种角应变。简单变形随时间连续发展的结果就是简单剪切流动，如液体沿水平等径管道的稳态层层流动等。剪切应变(shearstrain)：应变速率(shearstrainrate)：ydxxy/dtdydtdxxyxy//体积压缩与膨胀：是静压变化引起的。静压是一种各向同性的力。对各向同性的物质，静压下只改变体积单元的体积，而形状不变化。体积应变(volumestrain)：应变速率(volumestrainrate)：vdvv/dtdvdtdvvv//真实物体的变形只不过是其中的一种，或是基本变形的叠加而构成的复杂变形。同应力的描述相似，流变学中用应变张量和应变速率张量来描述物质复杂的变形和流动，即：应变张量：应变速率张量：zzzyzxyzyyyxxzxyxxzzzyzxyzyyyxxzxyxx对流体只需用应变速率张量。通常用应变速率、剪切速率或速度梯度来描述流体的流动。应变速率是单位时间的应变变化:应变速率又分为拉伸应变速率和剪切应变速率。剪切应变速率描述流体的剪切流动，拉伸应变速率描述流体的拉伸流动。在简单剪切流动中，流体的流动方向与速度梯度方向垂直，如平行平板间的拖动流、流体在等直径圆管中的层流流动等；对简单拉伸流动来说，流体的流动方向与速度梯度方向相同，如纺丝过程等。dtd剪切速率就是剪切应变速率，即单位时间剪切应变的变化，常用表示剪切速率。速度梯度是流体元的速度对空间坐标的导数，用表示。在数学上，速度梯度与剪切速率一般是相等的，这是因为一般速度梯度=（剪切速率）。但在某些流动条件下，二者的物理意义也有所区别，如在第三章介绍的同轴圆筒旋转流动。dydvdtddtdydLdydtdLdydv流体在不同的流动方式下所表现出的流动阻力特性不同。剪切粘度等于剪切应力与剪切速率之比。剪切粘度就是牛顿内摩擦定律中的动力粘度。拉伸粘度等于拉伸应力与拉伸应变速率之比。对牛顿流体来说，在简单的拉伸流动即单轴拉伸流动条件下，其拉伸粘度为剪切粘度的3倍；对非牛顿流体来说，其拉伸粘度大于3倍的剪切粘度。有资料报道，自然界中95％以上的流动为剪切流动，本课程除非有特殊说明，否则讨论的都是剪切流动。在流变学研究中，许多应力状态和运动状态可以简化为二维或一维的简单状态。如简单剪切流动中，受力和流动都是一维的。四、流变方程反映物料宏观性质的数学模型称为本构方程，亦称流变状态方程和流变方程，它是关联物料所受的应力与其流变响应如应变、应变速率和响应时间，甚至温度等其他变量的方程。寻求物质的流变方程是流变学研究的一个重要内容。流变方程的作用包括：①流变方程可以区分流体类型，即不同类型的流体要用不同的流变方程来描述；②从流变方程可以获得流体内部结构的有关信息，如相转变等；③流变方程与有关流体流动方程相联立，可用于解决非牛顿流体的动量、热量和质量传递等工程问题。由流变方程决定力学行为的物质是理想的物质，实际上的物质不会绝对遵循某一本构方程，但可以逼近或接近某个流变方程。对一些简单的流变性质的描述也可用曲线形式表示，如剪切应力与剪切速率关系曲线、粘度随剪切速率变化曲线等，并称之为流变曲线。对一些比较复杂的流体，其流变方程往往要用张量来分析描述。一个本构方程的好与否，主要靠实验判断，与实验结果较符合的，就是一个较好的本构方程。本构方程的选取主要取决于以下几个因素：a)方程的应用精度；b)方程的简便性；c)应用目的；d)物理意义；e)个人习好。可见本构方程的选取不是唯一的。典型流场流场是指液体的物理点（或微团）的物理量（如位移、运动速度……）在给定空间内的分布。典型流场是为简化运动微分方程而引入的简单流场，而且此简单流场在实际生产中又具有现实意义。平行平板间的拖动流—简单剪切流场在此流场下，纯粘性流体没有应变张量，只有应变速率张量，而且可以大大简化。其中只有应变速率分量，其余应变速率分量均为零。dydVx2yxxy属于简单剪切流场的还有：(l)管流中的Poiseuille流动；(2)同轴旋转圆筒间的Couette流动和Searle流动；(3)旋转锥板间的剪切流动等等。§1.4物质的流变学分类表1-1简单剪切条件下物质的流变学分类谱上述分类仍然是理想化、模型化的。在通常条件下，许多物料可以明显地归类为虎克固体或牛顿流体，而