От чего зависит коэффициент вязкости жидкости

Вязкость жидкостей и газов

Вязкость жидкостей.Вязкость является одним из важнейших свойств, характерных только для жидкостей, и которое во многом определяет поведение реальных жидкостей при их движении.

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу ее частиц или слоев друг относительно друга, проявляющееся в давлении внутреннего трения.

Влияние вязкости на характер течения отражается двумя постулатами, основанными на всесторонних экспериментальных исследованиях – гипотезе “прилипания” и законе внутреннего трения Ньютона.

Гипотеза “прилипания”заключается в том, что частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердому телу, абсорбируются им, как бы прилипают к его поверхности, т.е. их скорость равна скорости твердого тела. В соответствии с этой гипотезой скорость жидкости на неподвижной твердой поверхности всегда равна нулю (рис. 2.1.)

Рис 2.1 Распределение скорости движущейся жидкости по сечению

Между соприкасающимися частицами или слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, всегда возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности соприкосновения и противодействующие смещению этих частиц друг относительно друга.

В математической формулировке закон Ньютона имеет вид:

(2.7)

где – удельная сила трения, приходящуюся на единицу поверхности соприкасающихся слоев, называемая касательным напряжением, ,

– динамическая вязкость, ;

– изменение расстояния вдоль нормали между двумя бесконечно близкими слоями.

В механике жидкости наряду с динамическим коэффициентом вязкости широко используется другой физический параметр, характеризующий вязкость жидкости – кинематический коэффициент вязкости.

Кинематический коэффициент вязкости определяется как величина равная отношению коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости :

(2.8)

где – вязкость жидкости,

Вязкость жидкостей зависит от температуры и давления. В специальной литературе широко приводятся экспериментальные, аналитические формулы, графики и таблицы, отражающие зависимость коэффициентов вязкости от температуры и давления.

Зависимости коэффициентов вязкости от давления и температуры различны для капельных жидкостей и газов:

1. У капельных жидкостей вязкость практически не зависит от давления, но значительно уменьшается при повышении температуры, так как часть энергии идет на разрыв молекулярных связей жидкости.

2. Вязкость газов, в отличие от капельных жидкостей, существенно возрастает с увеличением температуры, так как увеличивается кинетическая энергия молекул газа.

Дата добавления: 2014-11-16 ; Просмотров: 4308 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Вязкость

Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоев жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является схема так называемой струйной модели потока (рис. 1.9).

На рис. 1.9 использованы следующие обозначения:

и — скорость слоя жидкости;

с1у — расстояние между соседними слоями жидкости.

Медленно движущийся слой жидкости «тормозит» соседний, движущийся быстрее, и наоборот, слой, движущийся с большей скоростью, увлекает (тянет) за собой слой, движущийся медленнее.

Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями.

Закон жидкостного трения — закон Ньютона

Если в равномерно движущемся потоке жидкости рассмотреть два соседних слоя, расположенных на расстоянии с!у друг от друга, и скорость первого из них обозначить и_<, а скорость другого — и₂, то разница между ними составит с1и. Тогда можно записать

Эта величина называется градиентом скорости по сечению потока или поперечным градиентом скорости.

Если между соседними слоями жидкости выделить некоторую площадку ? (рис. 1.10), то согласно гипотезе Ньютона

где Т — силы вязкого трения; ? — площадь трения; р — коэффициент вязкого трения.

Величина р в этом выражении является динамическим коэффициентом вязкости, равным

где х — касательное напряжение в жидкости зависит от рода жидкости.

Физический смысл коэффициента вязкого трения — число, равное силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости.

Единицы измерения: [Н • с/м 2 ], [кг • с/м 2 ], [Пз] <Пуазейль>, 1 Пз = = 0,1 Н • с/м 2 .

На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости, названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к ее плотности:

Единицы измерения: [м 2 /с], [см 2 /с], [Ст] <стоке>, [сСт] <санти-стокс>, 1 Ст = 100 сСт <1 Ст = 1 см 2 /с>.

Для капельных жидкостей вязкость зависит от температуры / и давления р, однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка нескольких десятков МПа.

Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры (рис. 1.11) выражается формулой вида

И, = Мо* Ч – Г1) . (1-30)

где р, — коэффициент динамической вязкости при заданной температуре; р — коэффициент динамической вязкости при известной температуре (для минеральных масел при 50 °С); Т — заданная тем-

Рис. 1.11. Зависимость коэффициента динамической вязкости

пература; Т₀ —температура, при которой измерено значение р (50 °С для минеральных масел); к, — коэффициент, для минеральных масел равный 0,02—0,03; е — основание натурального логарифма равное 2,718282.

Зависимость коэффициента динамической вязкости от давления (рис. 1.12) описывается формулой

где р_р — коэффициент динамической вязкости при заданном давлении; р — коэффициент динамической вязкости при известном давлении (чаще всего при нормальных условиях); р — заданное давление; р₀ —давление, при которой измерено значение р; к_р — коэффициент, для минеральных масел равный 0,002—0,003.

Рис. 1.12. Зависимость коэффициента динамической вязкости от давления

Влияние давления на вязкость жидкости при давлениях до 100 МПа невелико. При больших давлениях это влияние становится значительным, например при давлениях 1000—1200 МПа объем жидкостей уменьшается на 20—30%, а вязкость возрастает в десятки и сотни раз.

Характер зависимости вязкости от температуры для жидкостей и газов различен (рис. 1.13): вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, тогда как вязкость газов, наоборот, увеличивается (для воздуха данная зависимость незначительна).

Для примера приведем значения кинематического коэффициента вязкости V для некоторых жидкостей: масла индустриальные (по ГОСТ 20799-75) при температурах 50 °С: И-5А — 4—5 сСт, И-12А — 10— 14 сСт, И-40А — 35—45 сСт; вода пресная при 20 °С — 0,0101 Ст; ртуть при 15 °С — 0,0011 Ст, сталь жидкая при 1550 °С — 0,0037 Ст.

Вязкость жидкости — это свойство, проявляющееся только при движении и не влияющее на покоящиеся жидкости. Вязкое трение в жидкостях подчиняется закону трения, принципиально отличному от закона трения твердых тел, так как зависит от площади трения и скорости движения жидкости.

Жидкости, которые подчиняются описанному закону жидкостного трения Ньютона, называются ньютоновскими жидкостями. Особенностью ньютоновских жидкостей является полное отсутствие трения покоя. Однако существуют жидкости, трение в которых описывается другими закономерностями (растворы полимеров, коллоидные суспензии, строительные растворы, пищевые и кормовые смеси и т.п.). Для них связь между касательным напряжением т и поперечным градиентом скорости не подчиняется закону Ньютона. Они называются неньютоновскими или аномальными, и отличаются от ньютоновских наличием касательного напряжения в состоянии покоя т.

Например, касательные напряжения подчиняются закону

Рис. 1.13. Зависимость кинематической вязкости V от температуры

Такие жидкости называются вязкопластичными. Относительное смещение их слоев начинается лишь после того, как будет преодолено напряжение сдвига покоя т.

Для других неньютоновских жидкостей динамическая вязкость может зависеть от градиента скорости, времени и т.д. Эта зависимость может иметь, например, следующий вид:

где к — коэффициент, который может зависеть от скорости, времени, температуры, давления и некоторых других факторов.

Определение вязкости жидкости

В любой жидкости под влиянием внешней силы происходит перемещение молекул вещества относительно друг друга. Возникающее при этом трение между молекулами, т. е. внутреннее сопротивление этому перемещению, называется внутренним трением, или вязкостью.

Вязкость является важной физической константой, играющей роль при выборе того или иного типа насоса. Для оценки вязкостных свойств жидкостей пользуются единицами динамической, кинематической, удельной и условной вязкости. Динамическая (абсолютная) вязкость n – это сила сопротивления, которое возникает при перемещении со скоростью 1 см/с двух слоев жидкости площадью в 1 см2, находящихся друг от друга на расстоянии 1 см. Если эта сила будет равна 1 дин, то динамическая вязкость в единицах СGS выражается в граммах на сантиметр на секунду (г/(см/с)) и соответствует 1П (пуазу). Сотая часть пуаза составляет сантипуаз (сП). В единицах СИ динамическая вязкость выражается в паскаль-секундах

(Па*с); 1П = 0,1Па*с; 1 сП = 0,001 Па*с. Например: динамическая вязкость дистиллированной воды при 20,2оС равна 1 сП=1 мПас

Динамическая вязкость может быть определена опытным путем с по-мощью вискозиметра Уббелоде. С достаточной точностью ее нетрудно вычислить, не прибегая к опыту, по формуле:

n = v*p, где v – кинематическая вязкость; p – плотность нефтепродукта при температуре определения вязкости. Кинематическая вязкость v есть отношение динамической вязкости нефтепродукта к его плотности при той же температуре. Единицей кинематической вязкости является стокс (Ст), выражаемый в системе СGS в сантиметрах в квадрате на секунду (см2/с). Сотая доля стокса есть сантистокс (сСт); 1сСт = 0,01 см2/с. В единицах СИ: 1Ст = 10-4 м2/с; 1сСт = 10-6 м2/с. В стандартах на дизельное топливо и смазочные масла кинематическая вязкость нормируется в миллиметрах в квадрате на секунду (мм2/с) или сантистоксах (сСт); 1 сСт = 1 мм2/с. Удельной вязкостью n уд называется отношение динамической вязкости продукта к динамической вязкости дистиллированной воды при 20,2оС. Численно принято считать, что удельная вязкость равна динамической вязкости продукта, умноженной на 100: n уд = 100n.

Условная вязкость представляет собой отношение времени истечения 200 мл продукта через калиброванное отверстие специального прибора – вискозиметра – при температуре t ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20оС.

Условная вязкость является отвлеченной величиной и выражается в условных единицах в зависимости от применяемого вискозиметра: для вискозиметра Энглера – в градусах Энглера (Ео), или в градусах условной вязкости (ВУ); для вискозиметра Сейболта – в секундах Сейболта; для вискозиметра Редвуда – в секундах Редвуда.

Между условной и кинематической вязкостью установлена эмпирическая зависимость, которая выражается следующими приближенными формулами:

для v = 1 – 120 мм2/с vt = 7,24 ВУt – 6.25/ВУ t (мм2/с); для v > 120 мм2/с vt = 7,24 ВУt.

Этими формулами можно пользоваться при переводе кинематической вязкости в градусы условной вязкости для практической оценки вязкостных свойств родукта.Обратный перевод для расчетных целей делать не рекомендуется, так как определение условной вязкости продукта недостаточно точно и условная вязкость не отражает физических свойств жидкости. Наибольшее распространение при различных расчетах, а также при контроле качества продуктов получила кинематическая вязкость. Динамическую вязкость определяют в основном в научно-исследовательских работах. Вязкость продуктов существенно зависит от температуры, поэтому получаемое значение вязкости должно обязательно сопровождаться указанием температуры, при которой определялась вязкость.

Определение кинематической вязкости нефтепродукта в капиллярных вискозиметрах

Приборы для определения вязкости называются вискозиметрами. Чаще всего для определения кинематической вязкости по ГОСТ 33-82 пользуются стеклянными вискозиметрами типа.

Пинкевича и ВПЖТ-2 с помощью которых измеряют кинематическую вязкость продуктов при положительных и отрицательных значениях температуры. В основе метода лежит известная формула Пуазейля для динамической вязкости:

• Р – давление, при котором происходит истечение жидкости из капилляра
• r – радиус капилляра
• L – длина капилляра
• V – объем жидкости, протекающей через капилляр
• t – время истечения жидкости в объеме V.

Приборы и материалы

В работе используют: Вискозиметр типа ВПЖТ-2 термо-статирующее устройство, обеспечивающее длительное поддержание заданной температуры с точностью ± 0,03оС при точных и ± 0,1оС – при технических измерениях Термометр ртутный стеклянный с ценой наименьшего деления шкалы 0,05оС для точных и 0,2оС – для технических измерений секундомер термостатирующую жидкость: дистиллированную воду, глицерин или смесь глицерина с водой в соотношении 1:1

Порядок проведения измерения

Для определения кинематической вязкости вискозиметр подбирают таким образом, чтобы время течения нефтепродукта было не менее 200 с. Затем его тщательно промывают и высушивают. Пробу испытуемого продукта профильтровывают через бумажный фильтр. Вязкие продукты перед фильтрованием подогревают до 50–100оС. При наличии в продукте воды его осушают сульфатом натрия или крупнокристаллической поваренной солью с последующим фильтрованием. В термостатирующем устройстве устанавливают требуемую температуру. Точность поддержания выбранной температуры имеет большое значение, поэтому термометр термостата должен быть установлен так, чтобы его резервуар оказался примерно на уровне середины капилляра вискозиметра с одновременным погружением всей шкалы. В противном случае вводится поправка на выступающий столбик ртути по формуле:

• B – коэффициент температурного расширения рабочей жидкости термометра:
  • для ртутного термометра – 0,00016
  • для спиртового – 0,001
• h – высота выступающего столбика рабочей жидкости термометра, выраженная в делениях шкалы термометра
• T1 – заданная температура в термостате, оС
• T2 – температура окружающего воздуха вблизи середины выступающего столбика, оС.

Определение времени истечения повторяют несколько раз. В соответствии с ГОСТ 33-82 число измерений устанавливают в зависимости от времени истечения: пять измерений – при времени истечения от 200 до 300 с; четыре – от 300 до 600 с и три – при времени истечения свыше 600 с. При проведении отсчетов необходимо следить за постоянством температуры и отсутствием пузырьков воздуха.
Для подсчета вязкости определяют среднее арифметическое значение времени истечения. При этом учитывают только те отсчеты, которые отличаются не более чем на ± 0,3 % при точных и на ± 0,5 % при технических измерениях от среднего арифметического.

Обработка результатов измерений

Кинематическую вязкость испытуемого нефтепродукта при температуре t вычисляют по формуле:

• С – постоянная вискозиметра, мм2/с2
• t – среднее арифметическое учитываемых отсчетов времени истечения жидкости, с
• g – ускорение силы тяжести в месте измерения вязкости, м/с2
• 9,807 – нормальное ускорение силы тяжести, м/с2
• К = 1 + 0,00004^t – коэффициент, учитывающий изменение гидростатического напора жидкости вследствие расширения ее при нагревании
• ^T – разность между температурой продукта при заполнении вискозиметра и его температурой при определении вязкости.

Кинематическую вязкость нефтепродукта вычисляют с точностью до четвертой значащей цифры