Коефіцієнт в`язкості. Коефіцієнт динамічної в`язкості. Фізичний сенс коефіцієнта в`язкості

Коефіцієнт в`язкості - це ключовий параметр робочої рідини або газу. У фізичних термінах в`язкість може бути визначена як внутрішнє тертя, що викликається рухом частинок, складових масу рідкої (газоподібної) середовища, або, простіше, опором руху.

Що таке в`язкість

Найпростіший емпіричний досвід визначення в`язкості: на гладку похилу поверхню одночасно виливають однакову кількість води і масла. Вода стікає швидше масла. Вона більш текуча. Рухається маслу заважає швидко стікати вищу тертя між його молекулами (внутрішній опір - в`язкість). Таким чином, в`язкість рідини обернено пропорційна її плинності.

Коефіцієнт в`язкості: формула

У спрощеному вигляді процес руху в`язкої рідини в трубопроводі можна розглянути у вигляді плоских паралельних шарів А і В з однаковою площею поверхні S, відстань між якими становить величину h.

Ці два шари (А і В) переміщаються з різними швидкостями (V і V +&Delta-V). Шар А, який має найбільшу швидкість (V +&Delta-V), втягує в рух шар B, який рухається з меншою швидкістю (V). У той же час шар B прагне сповільнити швидкість шару А. Фізичний сенс коефіцієнта в`язкості полягає в тому, що тертя молекул, які представляють собою опір шарів потоку, утворює силу, яку Ісаак Ньютон описав наступною формулою:

F = µ- S (&Delta-V / h)

тут:

• &Delta-V - різниця швидкостей рухів шарів потоку рідини;
• h - відстань між шарами потоку рідини;
• S - площа поверхні шару потоку рідини;
• &mu- (мю) - коефіцієнт, що залежить від якості рідини, називається абсолютною динамічною в`язкістю.

В одиницях виміру системи СІ формула виглядає наступним чином:

µ- = (F h) / (S &Delta-V) = [Па с] (Паскаль секунда)

Тут F - сила тяжіння (вага) одиниці об`єму робочої рідини.

величина в`язкості

У більшості випадків коефіцієнт динамічної в`язкості вимірюється в сантіпуаз (сп) відповідно до системи одиниць СГС (сантиметр, грам, секунда). На практиці в`язкість пов`язана співвідношенням маси рідини до її обсягу, тобто з щільністю рідини:

&rho- = m / V

тут:

• &rho- - щільність рідини;
• m - маса рідини;
• V - об`єм рідини.

Відношення між динамічною в`язкістю (&mu-) і щільністю (&rho-) називається кінематичною в`язкістю &nu- (&nu- - по-грецьки - ню):

&nu- = &mu- / &rho- = [м²/ С]

До речі, методи визначення коефіцієнта в`язкості різні. наприклад, кінематична в`язкість як і раніше вимірюється відповідно до системи СГС в сантистоксах (сСт) і в часткових величинах - Стокс (Ст):

• 1ст = 10^-4 м²/ С = 1 см²/ С;
• 1сСт = 10^-6 м²/ С = 1 мм²/ С.

Визначення в`язкості води

Коефіцієнт в`язкості води визначається виміром часу течії рідини через калібровану капілярну трубку. Це пристрій калибруется за допомогою стандартної рідини відомої в`язкості. Для визначення кінематичної в`язкості, вимірюваної в мм²/ С, час перебігу рідини, що вимірюється в секундах, множиться на постійну величину.

В якості одиниці порівняння використовується в`язкість дистильованої води, величина якої майже постійна навіть при зміні температури. Коефіцієнт в`язкості - це відношення часу в секундах, яке необхідно фіксованому обсягу дистильованої води для виділення з каліброваного отвори, до аналогічного значенням для випробовуваної рідини.

Віскозиметри

В`язкість вимірюється в градусах Енглер (° Е), універсальних секундах Сейболта ("SUS) або градусах Редвуд (° RJ) в залежності від типу застосовуваного віскозиметра. Три типу віскозиметрів відрізняються тільки кількістю витікає рідкого середовища.

Відео: неньютонівська рідина @ Фестиваль "Політех" - 2015

Апаратура, що вимірює в`язкість в європейській одиниці градус Енглера (° Е), розрахований на 200 см<sup>3</sup> випливає рідкого середовища. Апаратура, що вимірює в`язкість в універсальних секундах Сейболта ("SUS або "SSU), який використовується в США, містить 60 см³ випробовуваної рідини. В Англії, де використовуються градуси Редвуд (° RJ), вискозиметр проводить вимірювання в`язкості 50 см<sup>3</sup> рідини. Наприклад, якщо 200 см<sup>3</sup> певного масла тече в десять разів повільніше, ніж аналогічний обсяг води, то в`язкість по Енглером становить 10 ° Е.

Оскільки температура є ключовим фактором, що змінює коефіцієнт в`язкості, то вимірювання зазвичай проводяться спочатку при постійній температурі 20 ° С, а потім при більш високих її значеннях. Результат, таким чином, виражається шляхом додавання відповідної температури, наприклад: 10 ° Е / 50 ° С або 2,8 ° Е / 90 ° С. В`язкість рідини при 20 ° С вище, ніж її в`язкість при більш високих температурах. Гідравлічні масла мають наступну в`язкість при відповідних температурах:

Відео: Поверхневий натяг рідини. Фізичний сенс. v.4

190 сСт при 20 ° С = 45,4 сСт при 50 ° С = 11,3 сСт при 100 ° С.

Переклад значень

Визначення коефіцієнта в`язкості відбувається в різних системах (американської, англійської, СГС), і тому часто потрібно перевести дані з однієї мірної системи в іншу. Для перекладу значень в`язкості рідини, виражених в градусах Енглер, в сантістокс (мм²/ С) використовують наступну емпіричну формулу:

&nu- (сСт) = 7,6 ° Е (1-1 / ° Е3)

наприклад:

• 2 ° Е = 7,6 2 (1-1 / 23) = 15,2 (0,875) = 13,3 сСт;
• 9 ° Е = 7,6 9 (1-1 / 93) = 68,4 (0,9986) = 68,3 сСт.

З метою швидкого визначення стандартної в`язкості гідравлічного масла формула може бути спрощена в такий спосіб:

&nu- (сСт) = 7,6 ° Е (мм²/ С)

Маючи кінематичну в`язкість &nu- в мм<sup>2</sup>/ С або сСт, можна перевести її в коефіцієнт динамічної в`язкості &mu-, використовуючи наступну залежність:

&mu- = &nu- ρ

Приклад. Підсумовуючи різні формули перекладу градусів Енглера (° Е), сантістокс (сСт) і сантіпуаз (сп), припустимо, що гідравлічне масло з щільністю &rho- = 910 кг / м³ має кінематичну в`язкість 12 ° Е, що в одиницях сСт становить:

&nu- = 7,6 12 (1-1 / 123) = 91,2 (0,99) = 90,3 мм²/ С.

Оскільки 1сСт = 10^-6м²/ С і 1сП = 10^-3 Н с / м², то динамічна в`язкість буде дорівнює:

&mu- =&nu- &rho- = 90,3 10^-6 ·- 910 = 0,082 Н с / м² = 82 сп.

Коефіцієнт в`язкості газу

Він визначається складом (хімічним, механічним) газу, що впливає температурою, тиском і застосовується в газодинамічних розрахунках, пов`язаних з рухом газу. На практиці в`язкість газів враховується при проектуванні розробок газових родовищ, де ведеться розрахунок змін коефіцієнта в залежності від змін газового складу (особливо актуально для газоконденсатних родовищ), температури і тиску.

Розрахуємо коефіцієнт в`язкості повітря. Процеси будуть аналогічними з розглянутими вище двома потоками води. Припустимо, паралельно рухаються два газових потоку U1 і U2, але з різною швидкістю. Між шарами буде відбуватися конвекція (взаємне проникнення) молекул. В результаті імпульс рухається швидше потоку повітря буде зменшуватися, а спочатку рухається повільніше - прискорюватися.

Коефіцієнт в`язкості повітря, згідно закону Ньютона, виражається наступною формулою:

F = -h (dU / dZ) S

тут:

• dU / dZ є градієнтом швидкості;
• S - площа впливу сили;
• Коефіцієнт h - динамічна в`язкість.

індекс в`язкості

Індекс в`язкості (ІВ) - це параметр, що корелює зміна в`язкості і температури. Кореляційна залежність є статистичної взаємозв`язком, в даному випадку двох величин, при яких зміна температури супроводжує систематичного зміни в`язкості. Чим вище індекс в`язкості, тим менше зміни між двома величинами, тобто в`язкість робочої рідини більш стабільна при зміні температури.

в`язкість масел

У основ сучасних масел індекс в`язкості нижче 95-100 одиниць. Тому в гідросистемах машин і обладнання можуть використовуватися досить стабільні робочі рідини, які обмежують широке зміна в`язкості в умовах критичних температур.

"сприятливий" коефіцієнт в`язкості можна підтримувати введенням в масло спеціальних присадок (полімерів), одержуваних при перегонці нафти. Вони підвищують індекс в`язкості масел за рахунок обмеження зміни цієї характеристики в допустимому інтервалі. На практиці при введенні необхідної кількості присадок низький індекс в`язкості базового масла може бути підвищений до 100-105 одиниць. Разом з тим отримується таким чином суміш погіршує свої властивості при високому тиску і теплового навантаження, знижуючи тим самим ефективність присадки.

У силових контурах потужних гідросистем повинні застосовуватися робочі рідини з індексом в`язкості 100 одиниць. Робочі рідини з присадками, що підвищують індекс в`язкості, застосовуються в контурах гідрокерування і інших системах, що працюють в діапазоні низьких / середніх тисків, в обмеженому інтервалі зміни температур, з невеликими витоками і в періодичному режимі. Із зростанням тиску зростає і в`язкість, але цей процес виникає при тисках понад 30,0 МПа (300 бар). На практиці цим фактором часто нехтують.

Вимірювання і індексація

Відповідно до міжнародних стандартів ISO, коефіцієнт в`язкості води (і інших рідких середовищ) виражається в сантистоксах: сСт (мм<sup>2</sup>/ С). Вимірювання в`язкості технологічних масел повинні проводитися при температурах 0 ° С, 40 ° С і 100 ° С. У будь-якому випадку в коді марки масла в`язкість повинна вказуватися цифрою при температурі 40 ° С. У ГОСТ значення в`язкості дається при 50 ° С. Марки, найбільш часто застосовуються в машинобудівній гідравліці, варіюються від ISO VG 22 до ISO VG 68.

Гідравлічні масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температурі 40 ° С мають значення в`язкості, що відповідатимуть їхнім маркування: 22, 32, 46, 68 і 100 сСт. Оптимальна кінематична в`язкість робочої рідини в гідросистемах лежить в діапазоні від 16 до 36 сСт.

Американське Товариство автомобільних інженерів (Society of Automotive Engineers - SAE) встановило діапазони зміни в`язкості при конкретних температурах і присвоїло їм відповідні коди. Цифра, наступна за буквою W, - абсолютний динамічний коефіцієнт в`язкості &mu- при 0 ° F (-17,7 ° С), а кінематична в`язкість &nu- визначалася при 212 ° F (100 ° С). Ця індексація стосується всесезонних масел, що застосовуються в автомобільній промисловості (трансмісійні, моторні і т. Д.).

Вплив в`язкості на роботу гідравліки

Визначення коефіцієнта в`язкості рідини представляє не тільки науково-пізнавальний інтерес, але і несе в собі важливе практичне значення. У гідросистемах робочі рідини не тільки передають енергію від насоса до гідродвигунів, але також змащують всі деталі компонентів і відводять тепло, що виділяється від пар тертя. Яка не відповідає режиму роботи в`язкість робочої рідини може серйозно порушувати ефективність всієї гідравліки.

Відео: Визначення коефіцієнта вязкості методом Стокса

Висока в`язкість робочої рідини (масло дуже високої щільності) призводить до наступних негативних явищ:

• Підвищений опір течією гідравлічної рідини викликає зайве падіння тиску в гідросистемі.
• Уповільнення швидкості управління і механічних рухів виконавчих механізмів.
• Розвиток кавітації в насосі.
• Нульове або занадто низьке виділення повітря з масла в гідробаку.
• Помітна втрата потужності (зниження ККД) гідравліки через високі витрати енергії на подолання внутрішнього тертя рідини.
• Підвищений крутний момент первинного двигуна машини, що викликається зростаючим навантаженням на насосі.
• Зростання температури гідравлічної рідини, що породжується підвищеним тертям.

Таким чином, фізичний зміст коефіцієнта в`язкості полягає в його впливі (позитивному або негативному) на вузли і механізми транспортних засобів, верстатів і устаткування.

Втрата потужності гідросистем

Низька в`язкість робочої рідини (масло невисокою щільності) призводить до наступних негативних явищ:

• Падіння об`ємного ККД насосів в результаті зростаючих внутрішніх витоків.
• Зростання внутрішніх витоків в гідрокомпонентах всієї гідросистеми - насосах, клапанах, гідророзподільниках, гідромоторах.
• Підвищений знос качають вузлів і заклинювання насосів через недостатню в`язкості робочої рідини, необхідної для забезпечення змащування деталей.

стисливість

Будь-яка рідина під дією тиску стискається. Відносно масел і МОР, використовуваних в машинобудівній гідравліці, емпірично встановлено, що процес стиснення обернено пропорційна величині маси рідини на її обсяг. Величина стиснення вище для мінеральних масел, значно нижче для води і набагато нижче для синтетичних рідин.

Відео: Поверхневий натяг рідин. урок 48

У простих гидросистемах низького тиску стисливість рідини мізерно мало впливає на зменшення початкового об`єму. Але в потужних машинах з гідроприводом високого тиску і великими гидроцилиндрами цей процес виявляє себе помітно. У гідравлічних мінеральних масел при тиску в 10,0 МПа (100 бар) обсяг зменшується на 0,7%. При цьому на зміну обсягу стиснення в невеликому ступені впливають кінематична в`язкість і тип масла.

висновок

Визначення коефіцієнта в`язкості дозволяє прогнозувати роботу обладнання та механізмів при різних умовах з урахуванням зміни складу рідини або газу, тиску, температури. Також контроль цих показників є актуальним в нафтогазовій сфері, комунальному господарстві, інших галузях промисловості.