PUB -Ein numerischer Ansatz für die Auswertung eines Kapillarviskosimeter-Experiments

20.09.2018

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Im Rahmen des ASME Symposium on Fluid Power and Motion Control in Bath ist eine Veröffentlichung zum Thema „ Ein numerischer Ansatz für die Auswertung eines Kapillarviskosimeter-Experiments“ erschienen.

 

Die dynamische Viskosität eines Fluids ist ein wichtiger Eingangsparameter für die Untersuchung von elastohydrodynamischen Kontakten in tribologischen Simulationswerkzeugen. In dieser Arbeit wird ein Kapillarviskosimeter verwendet, um die Viskosität einer Kalibrierungsflüssigkeit für Dieseleinspritzpumpen zu analysieren. Kapillarviskosimeter werden häufig zur Bestimmung von Viskositäten verwendet, die eine signifikante Abhängigkeit von der Scherrate, dem Druck und der Temperatur zeigen, wie Polymerschmelzen oder Blut. Daher wurden die meisten Untersuchungen zur Korrektur gemessener Viskositäten unter Verwendung von Polymerschmelzen durchgeführt. Eine neue Methode wird vorgestellt, um den Aufwand bei der Auswertung des Kapillarexperiments zu verringern.

Die Viskosität selbst kann aus experimentellen Daten berechnet werden. Wesentliche Parameter sind der Radius der Kapillare, ihre Länge, die Kapillarströmung und die Druckdifferenz über die Kapillare. Diese Größen werden in der Hagen-Poiseuille-Gleichung verwendet, um die Viskosität unter der Annahme laminarer und monodirektionaler Strömung zu berechnen.

Gemäß dieser Gleichung hängt die Viskosität von der Geometrie und dem Druckgradienten ab. Ein typisches Kapillarviskosimeter enthält drei Hauptflussunregelmäßigkeiten. Erstens die Kontraktion der Strömung am Kapillareinlass, zweitens die Ausdehnung der Strömung am Kapillarauslass und drittens die Einlauflänge der Strömung, nach der das Geschwindigkeitsprofil vollständig entwickelt ist.

Diese Strömungserscheinungen verursachen Druckverluste, die berücksichtigt werden müssen, sowie die veränderte Länge der laminaren Strömung in der Kapillare. Darüber hinaus beeinflusst der Temperaturunterschied über die Kapillare auch den Auslassfluss.

Daher wird in dieser Arbeit ein neu entwickeltes Verfahren vorgeschlagen, das den Aufwand bei der Druck- und Längenkorrektur verkürzt. Die Methode gilt für Viskosimeter, die eine einphasige Strömung der Probenflüssigkeit liefern. Außerdem ist die vorgeschlagene Korrektur für beliebige Geometrien geeignet.

Ein numerischer Ansatz wird für die Analyse des Experiments gewählt. Um den experimentellen Ablauf eines Kapillarviskosimeters zu erleichtern, wurde ein spezieller Algorithmus entwickelt. Der numerische Ansatz verwendet eine statische CFD-Simulation, die rekursiv durchlaufen wird. Wenn eine Abbruchbedingung hinsichtlich der Druckdifferenz zwischen zwei Zyklen erfüllt ist, kann die reale Viskosität auf die übliche Weise aus der Hagen-Poiseuille-Gleichung berechnet werden. Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen experimentellen Auswertung ist die generelle Anwendbarkeit für beliebige Geometrien. In dieser Arbeit wird das Verfahren mit einer bekannten Referenzflüssigkeit validiert und mit Daten verglichen, die aus einem Quarzviskosimeter-Experiment mit der gleichen Flüssigkeit gewonnen wurden. Daher werden Experimente mit dem Kapillarviskosimeter durchgeführt und bei verschiedenen Druck- und Temperaturniveaus verglichen.

 
  Iteratives Berechnungsschema der Viskosität Iteratives Berechnungsschema der Viskosität   Vernetzung des Einlassbereichs der Kapillare Vernetzung des Einlassbereichs der Kapillare