Коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт динамічної в'язкості. Фізичний сенс коефіцієнта в'язкості

Коефіцієнт в'язкості – це ключовий параметр робочої рідини або газу. У фізичних термінах в'язкість може бути визначена як внутрішнє тертя, що викликається рухом часток, що складають масу рідкої (газоподібної) середовища, або, більш просто, опором руху.

Що таке в'язкість

Найпростіший емпіричний досвід визначення в'язкості: на гладку похилу поверхню одночасно виливають однакову кількість води і масла. Вода стікає швидше масла. Вона більш текуча. Рухомому маслу заважає швидко стікати більш високе тертя між його молекулами (внутрішній опір – в'язкість). Таким чином, в'язкість рідини обернено пропорційна її плинності.

Коефіцієнт в'язкості: формула

У спрощеному вигляді процес руху в'язкої рідини в трубопроводі можна розглянути у вигляді плоских паралельних шарів А і В з однаковою площею поверхні S, відстань між якими становить величину h.

Ці два шари (А і В) переміщаються з різними швидкостями (V і V + Delta-V). Шар А, що має найбільшу швидкість (V + Delta-V), втягує в рух шар B, що рухається з меншою швидкістю (V). У той же час шар B прагне сповільнити швидкість шару А. Фізичний сенс коефіцієнта в'язкості полягає в тому, що тертя молекул, що представляють собою опір шарів потоку, утворює силу, яку Ісаак Ньютон описав наступною формулою:

F = micro- – S – (Delta-V / h)

Тут:

• Delta-V – різниця швидкостей рухів шарів потоку рідини;
• h – відстань між шарами потоку рідини;
• S – площа поверхні шару потоку рідини;
• mu- (мю) – коефіцієнт, що залежить від властивості рідини, називається абсолютною динамічною в'язкістю.

В одиницях виміру системи СІ формула виглядає наступним чином:

micro- = (F – h) / (S – Delta-V) = [Па – с] (Паскаль – секунда)

Тут F – сила тяжіння (вага) одиниці обсягу робочої рідини.

Величина в'язкості

У більшості випадків коефіцієнт динамічної в'язкості вимірюється в сантіпуаз (сП) відповідно до системи одиниць СГС (сантиметр, грам, секунда). На практиці в'язкість пов'язана співвідношенням маси рідини до її обсягу, тобто з щільністю рідини:

rho- = m / V

Тут:

• rho- – щільність рідини;
• m – маса рідини;
• V – об'єм рідини.

Відношення між динамічною в'язкістю (mu-) і щільністю (rho-) називається кінематичною в'язкістю nu- (nu- – по-грецьки – ню):

nu- = mu- / rho- = [м²/ с]

До речі, методи визначення коефіцієнта в'язкості різні. Наприклад, кінематична в'язкість раніше вимірюється відповідно до системи СГС в сантистоксах (сСт) і в дольних величинах – Стокс (Ст):

• 1ст = 10^-4 м²/ с = 1 см²/ с;
• 1сСт = 10^-6 м²/ с = 1 мм²/ с.

Визначення в'язкості води

Коефіцієнт в'язкості води визначається виміром часу течії рідини через калібровану капілярну трубку. Це пристрій калибруется за допомогою стандартної рідини відомої в'язкості. Для визначення кінематичної в'язкості, вимірюваної в мм²/ с, час течії рідини, що вимірюється в секундах, множиться на постійну величину.

В якості одиниці порівняння використовується в'язкість дистильованої води, величина якої майже постійна навіть при зміні температури. Коефіцієнт в'язкості – це відношення часу в секундах, яке необхідно фіксованому обсягом дистильованої води для закінчення з каліброваного отвору, до аналогічного значенням для випробовуваної рідини.

Віскозиметри

В'язкість вимірюється в градусах Енглер (° Е), універсальних секундах Сейболта ("SUS) або градусах Редвуд (° RJ) залежно від типу застосовуваного віскозиметра. Три типи віскозиметрів відрізняються тільки кількістю витікаючої рідкого середовища.

Вискозиметр, що вимірює в'язкість в європейській одиниці градус Енглера (° Е), розрахований на 200 см³ витікаючий рідкого середовища. Вискозиметр, що вимірює в'язкість в універсальних секундах Сейболта ("SUS або" SSU), використовуваний в США, містить 60 см³ випробовуваної рідини. В Англії, де використовуються градуси Редвуд (° RJ), віскозиметр проводить вимірювання в'язкості 50 см³ рідини. Наприклад, якщо 200 см³ певного масла тече в десять разів повільніше, ніж аналогічний обсяг води, то в'язкість за Енглером становить 10 ° Е.

Оскільки температура є ключовим чинником, що змінює коефіцієнт в'язкості, то вимірювання зазвичай проводяться спочатку при постійній температурі 20 ° С, а потім при більш високих її значеннях. Результат, таким чином, виражається шляхом додавання відповідної температури, наприклад: 10 ° Е / 50 ° С або 2,8 ° Е / 90 ° С. В'язкість рідини при 20 ° С вище, ніж її в'язкість при більш високих температурах. Гідравлічні масла мають наступну в'язкість при відповідних температурах:

190 сСт при 20 ° С = 45,4 сСт при 50 ° С = 11,3 сСт при 100 ° С.

Переклад значень

Визначення коефіцієнта в'язкості відбувається в різних системах (американської, англійської, СГС), і тому часто потрібно перевести дані з однієї мірної системи в іншу. Для перекладу значень в'язкості рідини, виражених у градусах Енглера, в сантістокс (мм²/ с) використовують наступну емпіричну формулу:

nu- (сСт) = 7,6 – ° Е – (1-1 / ° Е3)

Наприклад:

• 2 ° Е = 7,6 – 2 – (1-1 / 23) = 15,2 – (0,875) = 13,3 сСт;
• 9 ° Е = 7,6 – 9 – (1-1 / 93) = 68,4 – (0,9986) = 68,3 сСт.

З метою швидкого визначення стандартної в'язкості гідравлічного масла формула може бути спрощена наступним чином:

nu- (сСт) = 7,6 – ° Е (мм²/ с)

Маючи кінематичну в'язкість nu- в мм²/ с або сСт, можна перевести її в коефіцієнт динамічної в'язкості mu-, використовуючи таку залежність:

mu- = nu- – ρ

Приклад. Підсумовуючи різні формули перекладу градусів Енглера (° Е), сантістокс (сСт) і сантіпуаз (сП), припустимо, що гідравлічне масло з щільністю rho- = 910 кг / м³ має кінематичну в'язкість 12 ° Е, що в одиницях сСт становить:

nu- = 7,6 – 12 – (1-1 / 123) = 91,2 – (0,99) = 90,3 мм²/ с.

Оскільки 1сСт = 10^-6м²/ с і 1сП = 10^-3 Н-с / м², то динамічна в'язкість буде дорівнює:

mu- = nu- – rho- = 90,3 – 10^-6 middot- 910 = 0,082 Н-с / м² = 82 сП.

Коефіцієнт в'язкості газу

Він визначається складом (хімічним, механічним) газу, що впливає температурою, тиском і застосовується в газодинамічних розрахунках, пов'язаних з рухом газу. На практиці в'язкість газів враховується при проектуванні розробок газових родовищ, де ведеться розрахунок змін коефіцієнта залежно від змін газового складу (особливо актуально для газоконденсатних родовищ), температури і тиску.

Розрахуємо коефіцієнт в'язкості повітря. Процеси будуть аналогічними з розглянутими вище двома потоками води. Припустимо, паралельно рухаються два газові потоку U1 і U2, але з різною швидкістю. Між шарами відбуватиметься конвекція (взаємне проникнення) молекул. У підсумку імпульс рухається швидше потоку повітря буде зменшуватися, а спочатку рухається повільніше – прискорюватися.

Коефіцієнт в'язкості повітря, згідно законом Ньютона, виражається наступною формулою:

F = -h – (dU / dZ) – S

Тут:

• dU / dZ є градієнтом швидкості;
• S – площа впливу сили;
• Коефіцієнт h – динамічна в'язкість.

Індекс в'язкості

Індекс в'язкості (ІВ) – це параметр, що корелює зміна в'язкості і температури. Кореляційна залежність є статистичною взаємозв'язком, в даному випадку двох величин, при яких зміна температури супроводжує систематичного зміни в'язкості. Чим вище індекс в'язкості, тим менше зміни між двома величинами, тобто в'язкість робочої рідини більш стабільна при зміні температури.

В'язкість масел

У основ сучасних масел індекс в'язкості нижче 95-100 одиниць. Тому в гідросистемах машин і устаткування можуть використовуватися досить стабільні робочі рідини, які обмежують широке зміна в'язкості в умовах критичних температур.

«Сприятливий» коефіцієнт в'язкості можна підтримувати введенням в масло спеціальних присадок (полімерів), одержуваних при перегонці нафти. Вони підвищують індекс в'язкості масел за рахунок обмеження зміни цієї характеристики в допустимому інтервалі. На практиці при введенні необхідної кількості присадок низький індекс в'язкості базового масла може бути підвищений до 100-105 одиниць. Разом з тим одержувана таким чином суміш погіршує свої властивості при високому тиску і теплової навантаженні, знижуючи тим самим ефективність присадки.

У силових контурах потужних гідросистем повинні застосовуватися робочі рідини з індексом в'язкості 100 одиниць. Робочі рідини з присадками, що підвищують індекс в'язкості, застосовуються в контурах гідрокерування та інших системах, що працюють в діапазоні низьких / середніх тисків, в обмеженому інтервалі зміни температур, з невеликими витоками і в періодичному режимі. Із зростанням тиску зростає і в'язкість, але цей процес виникає при тисках понад 30,0 МПа (300 бар). На практиці цим фактором часто нехтують.

Вимірювання та індексація

У відповідності з міжнародними стандартами ISO, коефіцієнт в'язкості води (і інших рідких середовищ) виражається в сантистоксах: сСт (мм²/ с). Вимірювання в'язкості технологічних масел повинні проводитися при температурах 0 ° С, 40 ° С і 100 ° С. У кожному разі в коді марки масла в'язкість повинна вказуватися цифрою при температурі 40 ° С. У ГОСТ значення в'язкості дається при 50 ° С. Марки, найбільш часто вживані в машинобудівній гідравліці, варіюються від ISO VG 22 до ISO VG 68.

Гідравлічні масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температурі 40 ° С мають значення в'язкості, що відповідають їх маркуванні: 22, 32, 46, 68 і 100 сСт. Оптимальна кінематична в'язкість робочої рідини в гідросистемах лежить в діапазоні від 16 до 36 сСт.

Американське Суспільство автомобільних інженерів (Society of Automotive Engineers – SAE) встановило діапазони зміни в'язкості при конкретних температурах і привласнило їм відповідні коди. Цифра, наступна за буквою W, – абсолютний динамічний коефіцієнт в'язкості mu- при 0 ° F (-17,7 ° С), а кінематична в'язкість nu- визначалася при 212 ° F (100 ° С). Ця індексація стосується всесезонних масел, що застосовуються в автомобільній промисловості (трансмісійні, моторні і т. Д.).

Вплив в'язкості на роботу гідравліки

Визначення коефіцієнта в'язкості рідини представляє не тільки науково-пізнавальний інтерес, але і несе в собі важливе практичне значення. У гідросистемах робочі рідини не тільки передають енергію від насоса до гідродвигунів, але також змащують всі деталі компонентів і відводять виділяється тепло від пар тертя. Яка не відповідає режиму роботи в'язкість робочої рідини може серйозно порушувати ефективність всієї гідравліки.

Висока в'язкість робочої рідини (масло дуже високої щільності) призводить до наступних негативних явищ:

• Підвищений опір течією гідравлічної рідини викликає зайве падіння тиску в гідросистемі.
• Уповільнення швидкості управління і механічних рухів виконавчих механізмів.
• Розвиток кавітації в насосі.
• Нульове або занадто низьке виділення повітря з масла в гідробаку.
• Помітна втрата потужності (зниження ККД) гідравліки через високі витрат енергії на подолання внутрішнього тертя рідини.
• Підвищений крутний момент первинного двигуна машини, що викликається зростаючим навантаженням на насосі.
• Зростання температури гідравлічної рідини, породжуваний підвищеним тертям.

Таким чином, фізичний зміст коефіцієнта в'язкості полягає у його впливі (позитивному або негативному) на вузли і механізми транспортних засобів, верстатів і устаткування.

Втрата потужності гідросистем

Низька в'язкість робочої рідини (масло невисокої щільності) призводить до наступних негативних явищ:

• Падіння об'ємного ККД насосів в результаті зростаючих внутрішніх витоків.
• Зростання внутрішніх витоків в гідрокомпонентах всій гідросистеми – насосах, клапанах, гідророзподільниках, гідромоторах.
• Підвищений знос качають вузлів і заклинювання насосів з причини недостатньої в'язкості робочої рідини, необхідної для забезпечення змащення тертьових деталей.

Стисливість

Будь-яка рідина під дією тиску стискається. Відносно масел і МОР, що використовуються в машинобудівній гідравліці, емпірично встановлено, що процес стиснення обернено пропорційна величині маси рідини на її обсяг. Величина стиснення вища для мінеральних масел, значно нижче для води і набагато нижче для синтетичних рідин.

У простих гідросистемах низького тиску стисливість рідини мізерно мало впливає на зменшення початкового об'єму. Але в потужних машинах з гідроприводом високого тиску і великими гідроциліндрами цей процес проявляє себе помітно. В гідравлічних мінеральних масел при тиску в 10,0 МПа (100 бар) обсяг зменшується на 0,7%. При цьому на зміну обсягу стиснення в невеликому ступені впливають кінематична в'язкість і тип масла.

Висновок

Визначення коефіцієнта в'язкості дозволяє прогнозувати роботу обладнання та механізмів при різних умовах з урахуванням зміни складу рідини або газу, тиску, температури. Також контроль цих показників актуальний у нафтогазовій сфері, комунальному господарстві, інших галузях промисловості.