1.2 Общая характеристика методов измерения вязкости

Вискозиметрия, раздел физики, посвященный изучению методов измерения вязкости. Существующее разнообразие методов и конструкций приборов для измерения вязкости — вискозиметров — обусловлено как широким диапазоном значений вязкости (от

10^-5 Н*сек/м² у газов до 10¹² Н*сек/м² у ряда полимеров), так и необходимостью измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений (например, сжиженных газов, расплавленных металлов, водяного пара при высоких давлениях и т.д.).

Наиболее распространены три метода измерения вязкости газов и жидкостей: капиллярный, падающего шара и соосных цилиндров (ротационный). В основе их лежат соответственно: закон Пуазейля, закон Стокса и закон течения жидкости между соосными цилиндрами. Вязкость определяют также по затуханию периодических колебаний пластины, помещенной в исследуемую среду.

Особую группу образуют методы измерения вязкости в малых объёмах среды (микровязкость). Они основаны на наблюдении броуновского движения, подвижности ионов, диффузии частиц.

В основе любого метода определения вязкости лежит решение задачи о связи между вязкостью и наблюдаемыми в процессе измерений параметрами. При этом в расчетах допускают, что: 1) скольжение между жидкостью и внутренней поверхностью тела, сопряженного с жидкостью, отсутствует, т.е. имеет место полное смачивание; 2) движение жидкости с достаточной степенью точности описывается уравнением Навье-Стокса; 3) система рассматривается через достаточно длительный промежуток времени, когда установился регулярный режим движения.

Первое положение является общепринятым в вискозиметрии. Действительно, в подавляющем большинстве случаев, независимо от степени смачивания жидкостью твердой стенки, скольжение на границе раздела жидкости со стенкой отсутствует, т.е. считается, что относительная скорость жидкости на поверхности соприкосновения со стенкой равно нулю. Принятие этого положения существенно облегчает расчет вязкости, однако вопрос о влиянии смачиваемости на характер течения жидкости в капиллярах все еще проверяется. Так, например, Б. В. Дерягин и Н. А. Крылов наблюдали семикратное возрастание скорости течения воды через керамический фильтр с порами, покрытыми тончайшим слоем олеиновой кислоты. Известны и другие наблюдения (выполненные на органических объектах), показывающие, что не во всех случаях истечения жидкости скольжение полностью отсутствует. Причиной увеличения скорости истечения, отмеченной в некоторых работах, может явиться изменение поверхностного натяжения жидкости в результате взаимодействия со стенкой сосуда, атмосферой и т.д.; однако можно принять, что течение жидкости, не имеющей загрязнений и не взаимодействующей со стенкой, происходит без скольжения.

В 1823 г. Навье вывел общее уравнение движения вязкой жидкости, подтвержденное затем Стоксом, который показал, что в жидкости существуют только силы гидростатического давления, проявляющиеся при объемных деформациях, и силы внутреннего трения, проявляющиеся при сдвиговых и объемных деформациях и пропорциональные скоростям деформации. Оба вида сил независимы. Исходя из этих представлений, вязкие свойства жидкости можно характеризовать тангенциальной или сдвиговой вязкостью и объемной вязкостью, которая зависит от скорости сжатия или растяжения. Если плотность со временем не меняется, то свойства жидкости достаточно полно описываются коэффициентом тангенциальной вязкости, а жидкость считается несжимаемой.

Последнее, третье, условие также является общепринятым в вискозиметрии, и оно требует строго соблюдения с экспериментальной точки зрения. В расчетах должны приниматься только значения измеряемых параметров, которые соответствуют установившемуся режиму движения жидкости или системы, сопряженной с жидкостью.

Ряд металлов позволяет на основе измеряемых параметров путем прямого расчета по соответствующим формулам определить динамическую или кинематическую вязкость жидкостей.

Законы вязкого течения применимы лишь в определенных условиях, определенных критерием Рейнольдса:

(4) где - средняя скорость потока, - диаметр трубки.

Превышение этих значений приводит к тому, что вязкое течение жидкости сменяется беспорядочным или турбулентным, к которому неприменимы простые законы гидродинамики. Отклонения от последних имеют место и в случае гетерогенных систем, так как каждая суспензированная частица создает возмущение потока. Поэтому в вискозиметрии особое значение имеет очистка жидкости [2].

Существующие методы измерения вязкости можно разделить на стационарные и нестационарные: к стационарным относятся методы капиллярного истечения, вращающихся цилиндров, падающего шарика и вибрационные методы ; к нестационарным - методы, основанные на измерении параметров системы, находящейся в контакте с исследуемой жидкостью в процессе крутильных колебаний и метод параболоида вращения.

Первые измерения вязкости жидких металлов выполнены еще в 1870 г. Варбургом на ртути, но систематические измерения при высоких температурах были начаты лишь Зауервальдом в 1924 г. Для измерения вязкости жидких металлов (результаты этих измерений собраны в обзорных работах Г. И. Горяги и М. П. Воларовича) нашли применение почти все методы, которые используются в низкотемпературной вискозиметрии, за исключением метода падающего шарика [2].

Каждый из методов имеет свою основную область применения и обладает некими преимуществами и недостатками относительно других методов.

Главным преимуществом метода капиллярного истечения является простота конструкции вискозиметра, используется в основном для определения вязкости жидкостей при комнатных температурах. К недостаткам можно отнести ограниченную температурную область, связанную с устойчивостью капилляра. Сложность высокоточного изготовления капилляра. Необходимость очистки металла от нерастворимых примесей.

Областью применения метода падающего шарика является измерение вязкости расплавленных стекол и солей в пределах измерения вязкости от 1,02 до Па∙с. Трудности заключаются в определении местонахождения шарика в непрозрачном расплаве, подборе материалов для шариков, не подвергающихся воздействию высокотемпературных расплавов. Большие размеры приборов требуют большого количества жидкости для исследования.

Вискозиметры применяемые в ротационных методах отличаются высокой чувствительностью показаний и применимы для измерения жидкости вязкостью до Па∙с. Применяются в области измерения расплавленных шлаков. Недостатками являются громоздкость вискозиметров и трудоемкость самого эксперимента.

Вибрационный метод пригоден для измерения в широком диапазоне значений от 0.0001 до 100 Па∙с, применим в широком интервале температур до 2000 ^оС , применим как в инертной атмосфере так и в вакууме при наличии как больших так и малых масс расплавов.

Метод крутильных колебаний применяют для определения вязкости расплавленных металлов, недостатками являются сложность математической обработки результатов, не высокая точность.

В методе параболоида вращения основным преимуществом является малая продолжительность определения момента установления параболоида вращения. К недостаткам можно отнести необходимость работать с большими массами металла( 0.5 – 4 кг), длительность перехода от одной температуры к другой, связанной с большой массой металла