[发明专利]一种测量幂律流体流动参数的便携装置和方法

权利要求书

1.一种测量幂律流体流动参数的便携装置，其特征在于，包括微通道(3)，微通道(3)的两端分别连接有第一储存箱(1)和第二储存箱(4)，所述第一储存箱(1)和第二储存箱(4)内均存储有幂律流体；第一储存箱(1)内设置有正电极(8)，第二储存箱(4)内设置有负电极(6)；负电极(6)和正电极(8)之间的电压由电压控制和数据处理系统(2)调节；第二储存箱(4)连接有体积流量测量装置(5)；

通过调节通道两端电压，改变微通道内的轴向电场强度，从而导致微通道内幂律流体的体积流量发生变化；通过测量两次不同电压值下幂律流体的体积流量，并依据电压、流量与流动参数之间的依赖关系，最终可确定幂律流体的两个重要流动参数，即稠度系数和流性指数。

2.根据权利要求1所述的一种测量幂律流体流动参数的便携装置，其特征在于，所述体积流量测量装置(5)、负电极(6)和正电极(8)分别和电压控制和数据处理系统(2)连接；所述电压控制和数据处理系统(2)用于控制两个电极间的电压、记录体积流量、计算并显示流动参数。

3.一种测量幂律流体流动参数的方法，其特征在于，所述流动参数为幂律流体的稠度系数m和流性指数n，流动参数的计算过程包括以下步骤：

(1)、计算幂律流体电渗流的亥姆霍兹-斯莫鲁霍夫斯基速度u_s，计算公式为：

式中，u(y)为y方向上幂律流体的电渗流速度分布，ε为微通道(3)内幂律流体的介电常数，ψ_w为微通道壁面(7)的动电电位，E为微通道(3)内y方向上的电场强度，κ为德拜参数，其计算公式为：

e为微通道(3)内电子所带电量的绝对值，n_∞为微通道(3)内主流区域幂律流体中的离子浓度，z为微通道(3)内幂律流体中离子的价态，T为幂律流体的开尔文温度，k_B为玻尔兹曼常数；

微通道(3)的双电层(9)内的电荷密度ρ_e的计算公式为：

式中，e为电子所带电量的绝对值，n_∞为微通道(3)内主流区域幂律流体中的离子浓度，z是为微通道(3)内幂律流体中离子的价态，ψ为微通道(3)双电层(9)中的电势分布，T为幂律流体的开尔文温度，k_B为玻尔兹曼常数；

(2)、微通道(3)的半径为微米级，双电层的特征厚度为纳米级，因此微通道(3)半径远远大于双电层(9)的厚度；根据微通道(3)内幂律流体的速度分布，微通道(3)的截面平均速度幂律流体体积流量Q为：

Q＝u_sA (13)

式中，A为微通道(3)的横截面积；

结合式(12)，式(13)可进一步表示为：

改变施加在微通道(3)两端的电压，测量相应的体积流量，得到：

(3)、通过式(15)和(16)，及E＝U/l，Q＝V/t，确定流动参数的计算公式如下所示：

式中，U₁和U₂是确定一组流动参数时两次施加在微通道(3)两端的不同电压；E₁和E₂是相对应的电场强度；V₁和V₂是两次不同电压下在相同的时间间隔t内，体积流量测量装置(5)所收集到幂律流体的体积；l为微通道(3)的长度；Q₁与Q₂是两次不同电压下的体积流量；

该测量方法基于电渗流原理，通过改变电压确定幂律流体的两个重要流动参数，即稠度系数和流性指数。

4.根据权利要求3所述的一种测量幂律流体流动参数的方法，其特征在于，步骤(1)中，微通道(3)在y方向上幂律流体的电渗流速度分布u(y)通过对柯西动量方程积分获得，如下所示：