1.1. Лабораторная работа №1. Исследование вязкости жидкости

Цель работы - изучение зависимости кинематического коэффициента вязкости капельных жидкостей от их температуры.

Содержание работы - определение кинематического коэффициента вязкости нефтепродуктов при помощи вискозиметра Энглера.

1.1.1. Теоретические основы

Вязкость динамическая (сопротивление сдвигу) - основное свойство реальных жидкостей, заключающееся в том, что при взаимном относительном перемещении слоев жидкости с определенной скоростью возникает сила сопротивления их относительному смещению. Жидкости, у которых сопротивление сдвигу прямо пропорционально скорости скольжения, называют ньютоновскими или капельными, все остальные - неньютоновскими. При этом сила сопротивления сдвигу называется силой внутреннего трения. При прямолинейном ламинарном (слоистом) движении сила внутреннего трения между смещающимися один относительно другого слоями выражается формулой И.Ньютона (1687 г.), экспериментально подтвержденной Н.П. Петровым (1883 г.)

F =  S (dU/dh), (1.1)

где S - площадь слоя, по которому происходит сдвиг;

(dU/dh) - поперечный градиент скорости движения, выражающий скорость угловой деформации при сдвиге ( скорость сдвига);

 - динамический коэффициент вязкости, количественно характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев. Знак  выбирается в зависимости от знака градиента скорости так, чтобы сила F была положительной.

Величина  = 1/ называется текучестью.

Согласно формуле (1.1) динамический коэффициент вязкости численно равен приведенной на единицу площади тангенциальной силе  = F/S, необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости, расстояние между которыми равно единице. Из этого определения следует, что в Международной системе единиц СИ величина  имеет размерность , а в системе СГС - = П (пуаз). В технической системе единиц  имеет размерность - . Соотношение между указанными единицами измерения величины :

= 0,102 = 10 П (пуаз).

Зависимость  от давления проявляется только при увеличении давления свыше 10-15 МПа, причем вязкость с повышением давления растет.

Зависимость динамического коэффициента вязкости от температуры в большинстве случаев определяется по эмпирическим формулам. Так, для чистой пресной воды пользуются формулой Пуазейля:

 = (0.0178) / (1 + 0.0337Т + 0.000221 ), П,

где  - плотность воды в при температуре ТС.

Для воздуха зависимость  от Т можно определить по формуле Милликена:

 = ( + ), .

В практических расчетах часто пользуются кинематическим коэффициентом вязкости  = / - отношение динамического коэффициента вязкости  к плотности жидкости , который назван так потому, что в его размерности отсутствуют единицы силы.

Размерность кинематического коэффициента вязкости в Международной системе единиц СИ - , а в системе единиц СГС - (Ст - стокс). Соотношение между указанными единицами измерения величины  представляются в виде:

= Ст = сСт (сантистокс).

Согласно определению кинематического коэффициента вязкости физический смысл  - работа, которую необходимо совершить при относительном движении слоев жидкости для единицы массового расхода. Величина  зависит только от физических свойств жидкости и не зависит от условий ее движения.

Динамический и кинематический коэффициенты вязкости определяют экспериментальным путем при помощи вискозиметров разных типов и конструкций. Наиболее распространены вискозиметры капиллярные, ротационные, с падающим шариком, ультразвуковые, позволяющие выразить результаты измерений в единицах динамического и кинематического коэффициентов вязкости. Кинематическую вязкость нефтепродуктов определяют по ГОСТ 33-66 (переиздание 1978 г.) при помощи капиллярных вискозиметров ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВПЖ-4, ВНЖ и ВПЖМ по ГОСТ 10028-67 и вискозиметров Пинкевича для ньютоновских жидкостей с вязкостью от 0.6 до 30000 сСт. При испытаниях измеряют время течения нефтепродукта между специальными метками при заданной температуре. Если невозможно определить вязкость по ГОСТ 33-66, используют условные единицы вязкости: градусы ВУ по ГОСТ 6258-52 - отношение времени истечения нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20С. За рубежом в качестве условных единиц вязкости используются: секунды Сейболта-Универсал (США), секунды Редвуда  1 (Англия), градусы Энглера (последние практически совпадают с градусами ВУ). Так, например, с помощью вискозиметров типа ВУ (Энглера), предназначенных для исследования нефтепродуктов, вязкость выражают в градусах Энглера - отношение времени истечения t исследуемой жидкости через калиброванный капилляр ко времени истечения tв такого же объема дистиллированной воды при 20 С (293 К), т.е.

Е = t / tв . (1.2)

Кинематический коэффициент вязкости жидкости на основании измерений вискозиметром Энглера определяется при помощи эмпирической формулы Убеллоде:

 = 0.0731 Е - 0.0631 / Е , Ст. (1.3)

Следует иметь в виду, что формула (1.3) не находится в полном соответствии с экспериментом, что объясняется отсутствием точной теории вискозиметра.