§4. Вискозиметрические методы определения реологических параметров жидкостей

Под вискозиметрией понимается совокупность методов определения вязкостных свойств жидкости, то есть построение кривой течения. При этом вискозиметрия ньютоновских жидкостей сводится к определению величины коэффициента вязкости. В случае неньютоновских жидкостей задачей вискозиметрии является определение вида зависимости между скоростью сдвига и касательным напряжением, а также численных значений констант (реологических параметров), входящих в эту зависимость.

Приборы, на которых выполняются вискозиметрические исследования, называются вискозиметрами. Наиболее распространенные типы вискозиметров – капиллярный и ротационный.

Принципиальная схема капиллярного вискозиметра представлена на рис. 3.6. Здесь введены обозначения 1 - резервуар, 2 - калиброванная трубка, 3 - датчик давления. Меняя высоту налива жидкости Н или давление над свободной поверхностью (в случае герметично замкнутого резервуара), можно получить экспериментальную зависимость перепада давления на трубке длинной l от расхода Q, то есть (рис. 3.7).

Этот перепад давления складывается из перепада на входном участке длинной l_вх и перепада на мерном участке l_m = l - l_вх то есть. Повторив этот эксперимент на трубке того же диаметра, но длинной L получим кривую , причём опять , где - перепад на входном участке трубки длиной L, а - перепад давления на длине L- l_вх.

Так как диаметр обеих трубок и условия входа в них жидкости одинаковы, то при равных расходах длина входного участка и для обеих трубок будут одинаковыми. Поэтому величина

будет представлять собой перепад давления на участке L - l бесконечно длинной трубки. Участком бесконечно длинной трубки называется такой участок реальной трубки, на котором не сказываются концевые эффекты.

Принципиальная схема ротационного вискозиметра представлена на рис. 3.8. При вращении наружного цилиндра 3 с угловой скоростью в жидкости 4 возникают касательные напряжения, создающие на внутреннем цилиндре 2 крутящийся момент М. Под действием этого момента цилиндр 2 поворачивается на угол θ, величина которого зависит от М и упругих характеристик нити 1. Измеряя угол, получим значение действующего момента М.

Таким образом, проводя эксперимент при различных значениях , можно получить зависимость M(). Здесь, как и в случае капиллярного вискозиметра, возникают концевые эффекты вблизи свободной поверхности жидкости и дна цилиндра 2. Для их учёта можно повторить эксперимент при другом уровне жидкости h. Дальнейшие рассуждения аналогичны приведенным при рассмотрении концевых эффектов в капиллярном вискозиметре.

Преимуществом капиллярных (трубчатых) вискозиметров является то, что в них измерительный участок представляет собой кусок трубы, то есть геометрически подобен натуре.

Недостатками капиллярных вискозиметров являются:

а) относительно большие размеры (длина мерного участка составляет 200 и более диаметров капилляра);

б) большой расход исследуемого вещества.

Преимущество ротационных вискозиметров заключается в малых размерах и относительно малом количестве жидкости необходимой для исследования.

К недостаткам ротационных вискозимеров относятся:

а) возможное расслоение жидкости за счёт центробежных сил;

б) нагрев жидкости в процессе проведения исследований, что в ряде случаев приводит к необходимости термостатирования всей установки.

Последнее обстоятельство существенно усложняет конструкцию вискозиметра.

Экспериментальные методы измерения реологических параметров неньютоновских сред на различных ротационных приборах подробно изложены в работе [13].