ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Неньютоновскими, или аномальными, жидкостями, как уже указывалось выше (см. § 32), называют такие жидкости, которые не подчиняются основному закону внутреннего трения Ньютона (4.1).

Неньютоновские жидкости часто встречаются в природе и имеют весьма широкое применение в технике и в быту. Следует особо подчеркнуть широкое использование неньютоновских жидкостей в нефтяной промышленности, где они участвуют во многих производственных процессах — перемещаются но ги­дравлическим системам различного назначения и конструкции и характеризуются при этом большим разнообразием химического состава и физических свойств.

В общих курсах гидравлики неньютоновские жидкостине изучаются; этим занимается реология специальная наука, выделившаяся в последнее время в самостоятельный раздел ме­ханики.

В настоящем параграфе рассматриваются некоторые основные понятия и положения реологии, являющиеся необходимо й теоре­тической предпосылкой для решения отдельных инженерных за­дач, связанных с применением неньютоновских жидкостей в нефтяном деле.

Основной характеристикой неньютоновских жидкостей яв­ляются так называемые кривые течения, или реологические кривые (реограммы), изображающие графически зависимость между гра­диентом скорости течения жидкости (или, что то же самое, скоростью сдвига)

возникающим в ней касательным напря­жением .

Кривые течения могут быть построены на основании обработки опытных данных, получаемых в результате проведен ни специаль­ных исследований. Обычно для этой цели применяются ротацион­ные или торсионные вискозиметры, принцип действия которых был рассмотрен в §39. Существуют различные методы проведения подобных исследований. Однако все они имеют много общего и заключаются в следующем.

Один из цилиндров вискозиметра приводится во вращение и вызывает (благодаря наличию вязкости) относительное движе­ние (сдвиг) жидкости, находящейся в кольцевом межцилиндрическом пространстве. Вследствие этого на поверхностях обоих цилиндров, так же как и в жидкости (между отдельными ее слоями), возникают касательные напряжения, приводящие к появлению крутящего момента, воспринимаемого вторым цилиндром. В про­цессе проведения опытов угловую скорость вращения изменяют (в современных конструкциях вискозиметров — в весьма широких пределах); одновременно изменяются и значения крутящего момента.

Эти данные фиксируются, и по ним путем соответствующего пересчета определяются значения относительных скоростей сдвига, т. е. градиентов скорости, и касательных напряжений, необходимые для построения кривых течения.

Рис. 207. Рис. 208.

Для ньютоновских жидкостей кривые течения носят линейный характер, описываются уравнением (4.1)

и изображаются на графике прямыми линиями, проходящими через начало координат (рис. 207).

Вязкость этих жидкостей определяемся у)лом наклона соот­ветствующей прямой реограммы к горизонтальной оси

(9.1)

и является единственной постоянной, полностью определяющей реологические свойства жидкости при данных температуре и давлении, независимо от градиента скорости. Подчеркнем, что именно эта — ньютоновская вязкость, представляющая собой основную характеристику вязких свойств «обычных» ньютонов­ских, жидкостей и есть та вязкость, понятие о которой было дано в § 32 икоторая входит во все установленные выше расчетные зависимости и уравнения.

Кривые течения неньютоновских жидкостей весьма много­образны и в общем случае не являются линейными. Расположение этих кривых на графике и их форма определяют класс неньютоновской жидкости и характеризуют особенности ее течения.

Ha рис. 208 представлены кривые течения для различных ти­пов неньютоновских жидкостей:

кривая / — для дилатантных жидкостей;

кривая 3 — для псевдонластичных жидкостей;

кривая 4 — для вязко-пластичных жидкостей;

кривая 2 на этом же рисунке по-прежнему представляет обычную ньютоновскую жидкость.

Кривые течения псевдопластичных и дилатантных жидкостей хорошо описываются степенной зависимостью вида

где k и п являются для данной жидкости постоянными вели­чинами. Величина k представляет собой меру консистенции жидкости — чем выше вязкость, тем больше k; показатель же степени п характеризует степень неньютоновского поведения жидкости — чем больше он отличается от единицы (ньютоновская жидкость), тем сильнее проявляются ее неньютоновские свойства. Для псевдо­пластичной жидкости п < 1, для дилатантной n > 1.

Для характеристики реологичес­ких свойств неньютоновских жидкоc-

рис. 209

тей часто вводится также понятие эффективной кажущейся вязкости, которая представляет собой некоторую условную их харак­теристику, используемую при выполнении гидравлических расчетов по обычным формулам гидравлики ньютоновских жидкостей. Эта вязкость даже для данной жидкости не является постоянной величиной; ее значения зависят от градиента скорости и напряжения сдвига и определяются на реограмме углами наклона прямых, соединяющих начало координат с точками кривой течения (см. рис. 209):

(9,3)

У псевдопластичных жидкостей эффективная вязкость с увеличением или уменьшается. Эти жидкости при течении как бы разжижаются; у дилатантных же жидкостей, наоборот, при возрастании или вязкость увеличивается — жидкости при течении загустевают.

Примерами псевдопластичных жидкостей являются расплавы полимеров, а дилатантных жидкостей — различного рода, лако­красочные покрытия.

Ограничимся подробным рассмотрением лишь одного, практи­чески наиболее важного и интересного для нефтяной промышленности класса неньютоновских жидкостей — вязко-пластичных. В следующих параграфах изучаются основные свойства этих жидкостей и приводится решение ряда инженерных задач, свя­занных с их течением по различным гидравлическим системам.