40. Общие понятие и классификация неньютоновских жидкостей. Кривые течения неньютоновских жидкостей.

 Многокомпонентные жидкости как гомогенные, так и гетерогенные, в большей степени, могут содержать в своём составе компоненты, значительно изменяющие вязкость жидкости, и даже кардинально меняющие саму физическую основу и природу внутреннего трения. В таких жидкостях гипотеза вязкостного трения Ньютона неприменима. Соответственно такие жидкости принято называть неньютоновскими жидкостями. Неньютоновские жидкости из анализа закона Ньютона следует, что вязкость жидкости не зависит от градиента скорости и постоянна при данной температуре. Такие жидкости принято называть ньютоновскими. К ним относятся все газы и чистые жидкости (и их смеси) с низкой молекулярной массой.  К ним относятся растворы полимеров, коллоидные растворы, суспензии и т. п. Структура неньютоновских жидкостей определяется характером взаимодействия их частиц. При отклонении этих жидкостей (систем) от равновесия (покоя) структура таких жидкостей нарушается, а их свойства зависят от прилагаемых усилий и скорости деформации. Законы деформации и движения неньютоновских жидкостей составляют предмет и задачи науки, которую называют реологией. Обычно реологические свойства неньютоновских жидкостей определяют экспериментально.

Кривые течения  некоторых неньютоновских жидкостей  представлены на рисунке 1.1.

1-вязкопластичная ; 2- псевдопластичная ; 3- дилатантная ; 4,5 – нелинейно вязкопластичная

Классификация и реологические свойства неньютоновских жидкостей. Для получения расчетных уравнений, описывающих течение неньютоновских жидкостей, следует установить связь между напряжениями сдвига и скоростью деформации. Касательные напряжения τ_Т, как известно, являются функцией градиента скорости:

Для неньютоновских жидкостей вводится понятие «кажущейся»  вязкости. Под ней подразумевают вязкость неньютоновской жидкости, у которой скорость деформации под действием заданного напряжения сдвига равна скорости деформации рассматриваемой неньютоновской жидкости. Связь кажущейся вязкости μ_э с реологическими свойствами неньютоновской жидкости может быть представлена выражением:

          Неньютоновские жидкости подразделяют на три основные группы.  К первой группе относятся вязкие (или стационарные) неньютоновские жидкости, для которых функция не зависит от времени. По виду кривых течения различают следующие жидкости этой группы: бингамовские, псевдопластичные и дилатантные.

Бингамовские жидкости начинают течь только после приложения напряжения τ₀ (τ₀  - начальное напряжение сдвига, или предел текучести), превышающего предел текучести. При этом структура пластичной жидкости разрушается, и она ведет себя как ньютоновская, т.е. зависимость τ_т от du/dy для них также прямо пропорциональна. При снижении напряжения (τ_т < τ₀) структура бингамовских жидкостей восстанавливается. К бингамовским жидкостям относятся густые суспензии (различные пасты и шламы, масляные краски и т.п.).μ- пластическая вязкость.

Псевдопластичные жидкости получили наибольшее распространение в рассматриваемой группе неньютоновских жидкостей. К ним относятся растворы полимеров, целлюлозы и суспензии с асимметричной структурой частиц, и т.п. Псевдопластичные жидкости, как и Ньютоновские, начинают течь при самых малых значениях τ_т . Для этих жидкостей зависимость напряжения сдвига от скорости деформации может быть представлена степенной функцией

 где k и n - константы, причем значение k зависит от консистенции жидкости и увеличивается с увеличением вязкости; n отражает меру неньютоновского поведения жидкости

Для псевдопластичных жидкостей n < 1 (для ньютоновских n = 1 и соответственно k = n), т. е. кажущаяся вязкость уменьшается с увеличением скорости деформации. Кривая течения постепенно переходит в прямую при бесконечно большом градиенте du/dy.

Дилатантные жидкости содержат жидкую фазу в количестве, позволяющем заполнить в состоянии  покоя или при очень медленном  течении пустоты между частицами  твердой фазы. При увеличении скорости частицы твердой фазы перемещаются друг относительно друга быстрее, силы трения между частицами возрастают, при этом увеличивается кажущаяся вязкость. Для дилатантных жидкостей показатель степени в уравнении (1.4) k > 1. К дилатантным жидкостям относятся суспензии крахмала, силиката калия, различные клеи и др.

Ко второй группе относят неньютоновские жидкости, характеристики которых зависят от времени. Для таких жидкостей величина τ_т зависит не только от градиента деформации, но и от ее продолжительности, что усложняет анализ процесса течения этих жидкостей, поскольку для определения вязкости нужно знать предысторию жидкости. Эти жидкости подразделяют на тиксотропные (кажущаяся вязкость которых во времени уменьшается) и реопектические (кажущаяся вязкость которых во времени увеличивается).

1- реостабильные  жидкости ; 3- тиксотропные ; 2- реопектические .

К тиксотропным жидкостям  относятся многие красители, некоторые пищевые продукты (простокваша, кефир и т. п.), вязкость которых снижается при взбалтывании. К реопектическим жидкостям можно отнести суспензии бентонитовых глин и некоторые коллоидные растворы.

К третьей группе относятся вязкоупругие, или максвелдонские жидкости. Кажущаяся вязкость этих жидкостей уменьшается под воздействием напряжений, после снятия которых жидкости частично восстанавливают свою форму. К этому типу жидкостей относятся некоторые смолы и пасты тестообразной консистенции.

41. Вязкопластичные жидкости и их свойства. Начальное напряжение сдвига. Уравнение кривой течения.

Изучение процесса движения неньютоновских жидкостей является весьма трудоём­кой задачей как с точки зрения полноты понимания всех физико-химических процессов сопровождающих такое движение сложного физического тела, так и с точки зрения мате­матического описания этого явления. Как известно, все неньютоновские жидкости отли­чаются от классической ньютоновской жидкости видом зависимости градиента давления от величины касательного напряжения. Графики таких зависимостей носят название кривых течения неньютоновских жидкостей или реограмм. На рисунке представ­лены реограммы различных типов неньютоновских жидкостей (1 - дилатантная жидкость, 3 - псевдопластическая жидкость, 4 - вязкопластическая жидкость) по сравнению с ана­логичной характеристикой классической ньютоновской жидкостью (линейная зависи­мость - 2).

Первые два вида неньютоновских жидкостей: дилатантные и псевдопла­стические описываются одинаковыми уравнениями реограмм с различными характеристиками коэффициентов меры консистенции жидкости и п - ме­ры степени отличия поведенине. нью­тоновской жидкости от классической ньютоновской жидкости k -

 Для характеристики  названных выше типов неньютоновских жидкостей часто используется ещё одна дополнительная ме­ра - эффективная кажущаяся вязкость жидкости. Суть этой меры состоит в том, что для любой конкретной величины касательного напряжения в неньютоновской жидкости мож­но поставить в соответствии величину вязкости ньютоновской жидкости с одинаковой ве­личиной касательных напряжений, т.е. реограмма реальной неньютоновской жидкости заменяется линейной зависимостью:

Вязкопластические (бингамовские) жидкости обладают как свойствами твёрдого те­ла (при напряжениях меньших величины статического напряжения сдвига ), так и

свойствами жидкости (при касательных напряжениях в жидкости ). Когда вязкопластическая жидкость проявляет свойства твёрдого пластичного тела, то роль кристалличе­ской решётки в вязкопластической жидкости осуществляет образующаяся в ней жёсткая

пространственная структура, приводящая к полной неподвижности жидкости. Поэтому реограмму вязкопластических жидкостей (в) принято рассматривать как некоторую сумму реограмм твёрдого пластичного тела (а) и классической ньютоновской жидкости (б). Уравнение такой реограммы можно представить в следующем виде: Вид реограмм неньютоновских жидкостей, в том числе и вязкопластичных жидко­стей, осложняется проявлением тиксотропных свойств таких жидкостей. Принято считать, что величина статического напряжения сдвига вязкопластичных жидкостей зависит от продолжитнльности нахождения такой жидкости в состоянии покоя, другими словами, прочность образующейся структурной решётки в вязкопластичной жидкости увеличива­ется со временем. Повторное приведение жидкости в состояние движения происходит при значительно более низком статическом напряжении сдвига. Поэтому принято различать величину начального статического напряжения сдвига (после длительной остановки жид­кости) и динамическую величину (после кратковременных перерывов в работе). Тиксо-тропные свойства жидкостей обратимы, т.е. при восстановлении существовавшего ранее режима течения жидкости их действие прекращается.

Свойства вязкопластичной жидкости ярко проявляются в несоблюдении закона сообщающихся сосудов. Известно, что уровень воды или любой ньютоновской жидкости в сообщающихся сосудах любых диаметров одинаков. [1]

В вязкопластичных жидкостях в результате наличия предельного напряжения сдвига предельный диаметр нетонущего шара составляет do - Шары, с диаметром больше, чем d 0, в вязкопластичной жидкости будут тонуть, а меньше, чем do, будут находиться во взвешенном состоянии. При бурении нефтяных и газовых скважин определение величины d 0 имеет большое значение. [2]

В нетиксотропных вязкопластичных жидкостях ( см. рис. 34) после восстановления циркуляции касательные напряжения повышаются с ростом скорости движения, что ведет к увеличению сил сопротивления и расширению потока. [3]

В нетиксотропных вязкопластичных жидкостях ( см. рис. 32) после восстановления циркуляции касательные напряжения увеличиваются с ростом скорости движения, что ведет к увеличению сил сопротивления и расширению потока.