Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 [ 36 ] 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

Скорости сдвига. Эффективная вязкость убывает с увеличением скорости сдвига до тех пор, пока сохраняется возможность ориентации частиц и молекул высоко-полимеров вдоль линий тока.

Дилатантные жидкости также относятся к телам, у которых отсутствует предел текучести, однако их эффективная вязкость в отличие от псевдопластиков повышается с возрастанием скорости сдвига. Такой тип течения характерен для суспензий с большим содержанием твердой фазы. Предполагается, что в покое жидкость равномерно распределяется между плотно упакованными частицами и при сдвиге с небольшой скоростью жпдкость служит смазкой, уменьшающей тренне частиц. При больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается, система расширяется и жидкости становится недостаточно для смазки трущихся поверхностей. Действующие напряжения в таком случае должны быть значительно большими.

Движение псевдопластиков и дилатантной жидкости аппроксимируется степенным законом зависимости касательного напряжения и модуля скорости деформации

,.П.80,

где К - мера консистенции жидкости (с увеличением вязкости К возрастает); п < 1 - соответствует псевдопластикам; п > 1 - дилатантной жидкости.

В соответствии со степенным законом (II 1.80) происходит движение также полимерных материалов и термопластиков.

Неньютоновские жидкости, реологические характеристики которых

зависят от времени

Эффективная вязкость некоторых сложных жидкостей определяется не только скоростью сдвига, но и его продолжительностью. К ним относятся тиксо-тропные жидкости, консистенция которых зависит от продолжительности и величины скорости сдвига. При деформации таких жидкостей с постоянной скоростью сдвига структура ее постепенно разрушается и эффективная вязкость снижается со временем. Наряду с разрушением структуры происходит н процесс ее восстановления с возрастающей скоростью в связи с увеличением числа возможных новых связей и, когда скорости структурообразовання и разрушения сравняются, наступает состояние динамического равновесия. После исчезновения возмущений структура жидкости постепенно восстанавливается. Тиксотропные жидкости могут быть типа бингамовских пластичных тел, типа псевдопластиков и ньютоновских жидкостей. Под воздействием больших напряжений сдвига структура истинно тиксотропных веществ полностью разрушается и после снятия напряжений до начала восстановления они ведут себя как чистые жидкости. Тиксотропные вещества типа бингамовских пластиков не теряют полностью свойств твердого тела, хотя предел текучести со временем уменьшается, т. е. такого типа жидкости могут оказывать постоянное сопротивление сдвигу непосредственно после ее возмущения, так как в них сохраняется конечная величина напряжения сдвига.

После длительного стояния жидкости в покое первоначальная величина предела текучести восстанавливается. Для характеристики свойств (прочности) неразрушенной структуры, возникающей в глинистых, цементных и других суспензиях при покое и разрушающейся во время движения с низкими скоростями сдвига, вводится понятие статического напряжения сдвига 6. Величина 6 в отличие от То (см. формулу 111.78) зависит от времени нахождения суспензии в покое. С увеличением 9 обычно возрастает и Tq, но это наблюдается не всегда.

МирзаджанзадеА. X., Мирзоян А. А., Геви-н я н Г. М., Сеид-Рза М. К. Гидравлика глинистых и цементных растворов. М., изд-во «Недра», 1966.

Вязкоупругие жидкости обладают способностью к упругому восстановлению формы и вязкому течению. Если предположить, что деформация тела под действием касательного напряжения складывается нз двух видов - вязкой и упругой, то полная скорость сдвига запишется так

где G - модуль сдвига; --скорость упругой деформации тела по закону Гука.

Уравнение (III.81) описывает механические свойства одновременно упругого и вязкого жидкого тела, в котором результирующая деформация складывается из упругой части, пропорциональной касательному напряжению, и вязкой, пропорциональной производной от касательного напряжения по времени.

Если в некоторый момент деформирующая касательная сила перестала действовать, то в теле, которое является одновременно упругим и вязким, деформация исчезает постепенно. Закон, по которому убывает (релаксирует) напряжение в упруговязком теле после прекращения деформации, описывается уравнением

т = тое-С-/1, (II 1.82)

где t - время восстановления деформации.

Скорость релаксации характеризуется временем t, в течение которого напряжение уменьшается в е раз (е 2,7).

Положив в формуле (III.82) -р- = 1, найдем,

= (III.83)

Тело ведет себя как упругое, если время действия касательной силы оказалось малой величиной по сравнению с t, тело проявляет себя как вязкое, если касательная сила будет действовать в течение времени большем, чем tr-

Для качественного решения задач поведения различных тел предложены их механические модели. Например, упруговязкое тело можно представить последовательно соединенными пружиной и невесовым поршнем с отверстиями. При этом пружина отображает на модели упругие, а поршень - вязкие свойства тела. Жесткопластичное тело при напряжениях ниже предела текучести не деформируется и его моделью могут быть трущиеся площадки. Вязкопластичное тело Шведова - Бингама моделируется соединенными параллельно невесомым поршнем п трущимися площадками. Для отображения механических свойств высокополимеров используются сложные модели, состоящие из многих элементов 1.

Для получения реологических характеристик рассмотренных выше типов неньютоновских жидкостей применяются различные приборы. В вискозиметрах, представляющих собой ротационные устройства в виде соосных цилиндров, связь напряжения со скоростью деформации устанавливается путем приложения к образцу напряжения однородного сдвига и измерения соответствующего напряжения сдвига. Исследуемая жидкость помещается в зазор между цилиндрами. Один нз них приводится во вращательное движение с различной скоростью, а другой при этом испытывает закручивающее усилие, измеряемое в процессе опыта. Изменение крутящего момента (степени закручивания) в зависимости от частоты вращения цилиндра интерпретируется как связь между напряжением и скоростью сдвига.

Для каждого класса жидкостей применяется своя схема опыта и обработки опытных данных. Например, напряжения сдвига бингамовского пластпка прп небольшом крутящем моменте, действующем на поверхность внешнего цилиндра, будут ниже предела текучести и течение в матерпале не возникнет. С повышением крутящего момента напряжение сдвига возрастает, прпчем на стенке внутреннего цилиндра всегда больше, чем для внешнего т„.

1ри Тн < Ti < Тв течение возникает сначала только вблизи внутреннего цилиндра и предел текучести будет достигаться на радиусе г. С увеличением напряжения сдвига относительное смещение слоев жидкости распространяется по направлению к наружному цилиндру до установления равновесия.

Величины т] и То обычно рассчитываются графическим путем. Результаты опыта наносят в виде графика Дф = / (ш) завпспмости угла закручивания внутреннего цилиндра Дф от угловой скорости вращения ш. Величина т] определяется как тангенс угла наклона прямолинейной частп кривой Дф = / (ш):

Д£- ш -м

где т - константа прибора, определяемая с помощью эталонных жидкостей с известной вязкостью; Дф" и Дф - соответствующие углы закручивания динамометра прибора; ш" и ш - угловые скорости вращения. Прямолинейная часть графика при ее продолжении влево отсекает на осп Дф отрезок

Дф1 = .1п-, (III.85)

по которому определяют Tq

То = . (III.86)

Для исследования реологических свойств жидкостей в условиях высоких давлений и температур существуют герметизированные вискозиметры.

Положительными качествами ротационных вискозиметров являются: компактность, небольшой расход жидкости, воспроизведение в среде равномерной скорости сдвига, доступность предварительного перемешивания жидкости при определенной скорости сдвига, легкость осуществления необходимого температурного режима, возможность определения многих реологических параметров (т]. То, 9, упругих и релаксационных параметров ненарушенной структуры). Недостатками этих вискозиметров являются: необходимость учета концевого эффекта вблизи торца, не являющегося свободной поверхностью; малая Их пригодность для исследования грубодисперсных суспензий и необходимость тщательной подготовки жидкостей к опыту (иначе результаты измерений оказываются не воспроизводимыми).

Капиллярные вискозиметры состоят из калиброванной капиллярной трубки определенной длины I радиуса R и устройств для приложения разности давлений и измерения скорости течения. Для определения т] и Tj строится кривая зависимости расхода q от давления р. Вычисления проводят по формулам Букиигама

где давление, при котором исследуемый раствор начинает двигаться в капилляре

р0= д

2гто