Viskozitātes koeficients. Dinamiskās viskozitātes koeficients. Viskozitātes koeficienta fiziskā nozīme

Viscositātes koeficients ir darba šķidruma vai gāzes galvenais parametrs. Fizikālā nozīmē viskozitāti var definēt kā iekšēju berzi, ko izraisa daļiņu kustība, kas veido šķidruma (gāzveida) masu, vai vienkārši - pretestība kustībai.

Kas ir viskozitāte?

Vienkāršākā empīriskā pieredze, nosakot viskozitāti: gludu ūdens daudzumu vienlaicīgi ielej uz vienmērīgas slīpās virsmas ar tādu pašu daudzumu ūdens un eļļas. Ūdens notek ātrāk par eļļu. Tas ir vairāk šķidruma. Pārvietojamais eļļa novērš strauju lielākas berzes plūsmu starp tās molekulām (iekšējā pretestība - viskozitāte). Tādējādi šķidruma viskozitāte ir apgriezti proporcionāla tā šķidrumam.

Viskozitātes koeficients: formula

Vienkāršotā veidā viskozā šķidruma kustības procesu cauruļvadā var uzskatīt par plaknes paralēliem slāņiem A un B ar tādu pašu virsmu S, kura attālums ir h.

Šie divi slāņi (A un B) pārvietojas ar dažādiem ātrumiem (V un V + ΔV). Slānis A, kuram ir vislielākā ātruma (V + ΔV), ietver slāni B, kas pārvietojas zemākā ātruma (V) līmenī. Tajā pašā laikā B slānim ir lēns slāņa A ātrums. Viskozitātes koeficienta fiziskā nozīme ir tā, ka molekulu berze, kas atspoguļo plūsmas slāņu rezistenci, veido spēku, kuru Isaac Newton aprakstīts ar šādu formulu:

F = μ × S × (ΔV / h)

Šeit:

• ΔV ir šķidruma plūsmas slāņu kustības ātruma atšķirība;
• H ir attālums starp šķidruma plūsmas slāņiem;
• S ir šķidruma plūsmas slāņa virsmas laukums;
• M (mu) ir koeficients, kas ir atkarīgs no šķidruma īpašības, ko sauc par absolūto dinamisko viskozitāti.

SI sistēmas vienībās formula ir šāda:

M = (F × h) / (S × ΔV) = [Pa × s] (Pascal × sekunde)

Šeit F ir darba šķidruma vienības tilpuma smagums (masa).

Viskozitātes vērtība

Vairumā gadījumu dinamiskais viskozitātes koeficients tiek mērīts centipoises (cps) saskaņā ar CGS vienību sistēmu (centimetrs, grams, otrais). Praktiski viskozitāte ir saistīta ar šķidruma masas attiecību pret tā tilpumu, tas ir, šķidruma blīvumu:

P = m / V

Šeit:

• P ir šķidruma blīvums;
• M ir šķidruma masa;
• V ir šķidruma tilpums.

Attiecību starp dinamisko viskozitāti (μ) un blīvumu (ρ) sauc par kinemātisko viskozitāti ν (ν - grieķu valodā):

N = μ / ρ = [m ² / s]

Starp citu, viskozitātes koeficienta noteikšanas metodes atšķiras. Piemēram, kinemātiskā viskozitāte joprojām tiek mērīta saskaņā ar GHS sistēmu centistokos (cSt) un stolkos (St):

• 1Cm = 10 ^-4 m ² / s = 1 cm ² / s;
• 1 cSt = 10 ^-6 m ² / s = 1 mm ² / s.

Ūdens viskozitātes noteikšana

Ūdens viskozitātes koeficientu nosaka, mērot šķidruma plūsmas laiku caur kalibrētu kapilāro mēģeni. Šo ierīci kalibrē, izmantojot zināmu viskozitātes standarta šķidrumu. Lai noteiktu kinemātisko viskozitāti, mērot ar ² mm / s, šķidruma plūsmas laiks, ko mēra sekundēs, reizina ar konstantu vērtību.

Kā salīdzinājuma mērvienība tiek izmantota destilēta ūdens viskozitāte, kuras vērtība ir gandrīz nemainīga arī temperatūras izmaiņu gadījumā. Viskozitātes koeficients ir laika perioda sekundēs attiecība, kad no kalibrēta cauruma jāplūst fiksēts destilēta ūdens tilpums, līdzvērtīgs testa šķidrumam.

Viskomēdi

Viskozitāti mēra Angler grādos (° E), Saybolt universālās sekundēs ("SUS") vai grādos Redwood (° RJ), atkarībā no izmantotā viskozimetra veida. Trīs veidu viskozimetri atšķiras tikai ar šķidruma daudzumu, kas izplūst.

Viskozimetrs, kas mēra viskozitāti Eiropas vienībā, ir Englera grāds (° E), kas aprēķināts 200 cm ³ notekūdeņu šķidrumam. Viscosimeter, kas mēra viskozitāti universālajās Saybolt sekundēs ("SUS vai" SSU "), ko izmanto ASV, satur 60 cm ³ testa šķidruma. Anglijā, kur tiek izmantoti grādi Redwood (° RJ), viskozimetrs mēra 50 cc šķidruma viskozitāti. Piemēram, ja 200 cc noteiktas eļļas plūst desmit reizes lēnāk nekā līdzīgs ūdens daudzums, tad Englera viskozitāte ir 10 ° E.

Tā kā temperatūra ir galvenais faktors, kas maino viskozitātes koeficientu, vispirms mērījumus veic nemainīgā temperatūrā 20 ° C un pēc tam augstākajās temperatūrās. Tādējādi rezultāts tiek izteikts, pievienojot atbilstošu temperatūru, piemēram: 10 ° E / 50 ° C vai 2,8 ° E / 90 ° C. Šķidruma viskozitāte pie 20 ° C ir augstāka nekā tā viskozitāte augstākajās temperatūrās. Hidrauliskajām eļļām piemērotā temperatūrā ir šāda viskozitāte:

190 cSt pie 20 ° C = 45,4 cSt pie 50 ° C = 11,3 cSt 100 ° C temperatūrā.

Vērtību tulkošana

Viskozitātes koeficienta noteikšana notiek dažādās sistēmās (amerikāņu, angļu, GHS), un tādēļ bieži vien dati tiek pārtulkoti no vienas dimensijas sistēmas uz citu. Lai pārvērstu šķidruma viskozitātes vērtības, kas izteiktas Englera grādos līdz centistokiem (mm ² / s), izmantojiet šādu empīrisko formulu:

N (cSt) = 7,6 × ° E × (1-1 / ° E3)

Piemēram:

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

Lai ātri noteiktu hidrauliskās eļļas standarta viskozitāti, šo formulu var vienkāršot šādi:

N (cSt) = 7,6 × ° E (mm ² / s)

Ņemot kinemātisko viskozitāti ν mm ² / s vai cSt, to var pārveidot dinamiskā viskozitātes koeficientā μ, izmantojot šādu attiecību:

M = ν × ρ

Piemērs. Apkopojot dažādās formulās Englera grādu (° E), centistoku (cSt) un centipoise (cp) tulkošanai, mēs pieņemam, ka hidrauliskajai eļļai ar blīvumu ρ = 910 kg / m3 ir kinemātiskā viskozitāte 12 ° E, kas cSt vienībās ir:

N = 7,6 × 12 × (1-1 / 123) = 91,2 × (0,99) = 90,3 mm ² / s.

Tā kā 1сСт = 10 ^-6 m ² / s un 1сП = 10 ^-3 N s / m ² , dinamiskā viskozitāte būs vienāda ar:

M = ν × ρ = 90,3 × 10 ^-6 · 910 = 0,082 N × s / m ² = 82 cp.

Gāzes viskozitātes koeficients

To nosaka gāzes sastāvs (ķīmiskā, mehāniskā), kas ietekmē temperatūru, spiedienu un tiek izmantots gāzes dinamikas aprēķinos, kas saistīti ar gāzes kustību. Praksē, izstrādājot gāzes lauku attīstību, tiek ņemta vērā gāzu viskozitāte, kur koeficienta izmaiņu aprēķins tiek veikts atkarībā no gāzes sastāva izmaiņām (īpaši attiecībā uz gāzes kondensāta laukiem), temperatūru un spiedienu.

Aprēķiniet gaisa viskozitātes koeficientu. Procesi būs līdzīgi divām iepriekš minētajām ūdens plūsmām. Pieņemsim, ka divas gāzes plūsmas U1 un U2 pārvietojas paralēli, bet dažādos ātrumos. Starp slāņiem būs konvekcijas (savstarpēja iespiešanās) molekulu. Tā rezultātā kustīgās gaisa plūsmas ātrums samazinās ātrāk, un sākotnēji kustināsies lēnāk, tas paātrināsies.

Gaisa viskozitātes koeficients saskaņā ar Ņūtona likumu tiek izteikts ar šādu formulu:

F = -h × (dU / dZ) × S

Šeit:

• DU / dZ ir ātruma gradients;
• S ir spēka ietekmes zona;
• Koeficients h ir dinamiskais viskozitāte.

Viskozitātes indekss

Viskozitātes indekss (IV) ir parametrs, kas korelē viskozitātes un temperatūras izmaiņas. Korelācijas atkarība ir statistiska sakarība, šajā gadījumā - divi daudzumi, pie kuriem temperatūras izmaiņas ir saistītas ar sistemātiskām viskozitātes izmaiņām. Jo augstāks viskozitātes indekss, jo mazāka kļūst starp divām vērtībām, tas ir, darba šķidruma viskozitāte ir stabilāka, kad temperatūra mainās.

Eļļu viskozitāte

Mūsdienu eļļu bāzē viskozitātes indekss ir mazāks par 95-100 vienībām. Tāpēc mašīnu un iekārtu hidrauliskajās sistēmās var izmantot pietiekami stabilus darba šķidrumus, kas ierobežo viskozitātes svārstības kritiskās temperatūrās.

"Labvēlīgo" viskozitātes koeficientu var saglabāt, pievienojot īpašas piedevas (polimērus) eļļai, kas iegūta, destilējot eļļu. Tie palielina eļļu viskozitātes indeksu, ierobežojot šīs īpašības variāciju pieļaujamajā diapazonā. Praksē, kad ievada vajadzīgo piedevu daudzumu, bāzes eļļas zema viskozitātes indeksu var palielināt līdz 100-105 vienībām. Tajā pašā laikā iegūtais maisījums pasliktina tā īpašības augsta spiediena un siltuma slodzes laikā, tādējādi samazinot piedevas efektivitāti.

Jaudīgu hidraulisko sistēmu jaudas shēmās jāizmanto darba šķidrumi ar viskozitātes indeksu 100 vienības. Darba šķidrumi ar viskozitātes indeksa uzlabotājiem tiek izmantoti hidrauliskās vadības ķēdēs un citās sistēmās, kas darbojas zemā / vidējā spiediena diapazonā ierobežotā temperatūras izmaiņu diapazonā, ar nelielu noplūdi un partijas režīmā. Pieaugot spiedienam, palielinās arī viskozitāte, bet šis process notiek ar spiedienu virs 30,0 MPa (300 bar). Praksē šis faktors bieži tiek ignorēts.

Mērīšana un indeksēšana

Saskaņā ar starptautiskajiem ISO standartiem ūdens (un citu šķidrumu) viskozitātes koeficientu izsaka centistokos: cSt (mm ² / s). Tehnoloģisko eļļu viskozitātes mērījumi jāveic 0 ° C, 40 ° C un 100 ° C temperatūrā. Jebkurā gadījumā eļļas pakāpes kodā viskozitāte jānorāda ar skaitli 40 ° C temperatūrā. GOST viskozitātes vērtība tiek noteikta pie 50 ° C. Visbiežāk inženiertehniskajās hidrauliskajās sistēmās izmantotie zīmoli svārstās no ISO VG 22 līdz ISO VG 68.

Hidrauliskās eļļas VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 pie 40 ° C ir viskozitātes vērtības, kas atbilst to marķējumam: 22, 32, 46, 68 un 100 cSt. Hidrauliskā šķidruma optimālā kinemātiskā viskozitāte hidrauliskajās sistēmās ir diapazonā no 16 līdz 36 cSt.

Amerikas automobiļu inženieru biedrība (SAE) noteica viskozitātes izmaiņu diapazonu īpašās temperatūrās un tiem piešķīra atbilstošus kodus. Cilvēks pēc burta W ir absolūtais dinamiskais viskozitātes koeficients μ pie 0 ° F (-17,7 ° C), un kinemātiskā viskozitāte ν tika noteikta 212 ° F (100 ° C) temperatūrā. Šī indeksācija attiecas uz visu sezonu eļļām, ko izmanto automobiļu rūpniecībā (transmisija, motors utt.).

Viscositātes ietekme uz hidraulikas darbību

Šķidruma viskozitātes koeficienta noteikšana ir ne tikai zinātniska un kognitīva interese, bet tai ir arī svarīga praktiska nozīme. Hidrauliskajās sistēmās darba šķidrumi ne tikai pārnes enerģiju no sūkņa uz hidrauliskiem dzinējiem, bet arī eļļo visas komponentu sastāvdaļas un novirza atbrīvoto siltumu no berzes pāriem. Darba šķidruma viskozitāte, kas neatbilst darba režīmam, var nopietni ietekmēt visas hidraulikas efektivitāti.

Darba šķidruma (ļoti augsta blīvuma eļļas) viskozitāte izraisa sekojošas negatīvas parādības:

• Palielināta izturība pret hidrauliskā šķidruma plūsmu izraisa pārmērīgu spiediena kritumu hidrauliskajā sistēmā.
• Vadības ātruma palēnināšanās un izpildmehānismu mehāniskās kustības.
• Kavitācijas attīstība sūknī.
• Nulles vai pārāk zems gaisa izplūde no eļļas tvertnē.
• Hidraulikas jaudas zudums (samazināta efektivitāte) sakarā ar augstām enerģijas izmaksām, lai pārvarētu šķidruma iekšējo berzi.
• Mašīnas galvenā dzinēja griezes moments, ko izraisa pieaugošā sūkņa noslodze.
• Hidrauliskā šķidruma temperatūras paaugstināšanās, ko izraisa palielināta berze.

Tādējādi viskozitātes koeficienta fiziskā nozīme ir tā ietekme (pozitīva vai negatīva) uz transportlīdzekļu, mašīnu un iekārtu mezgliem un mehānismiem.

Hidrauliskā jaudas zudums

Darba šķidruma zemā viskozitāte (zema blīvuma eļļa) noved pie šādām negatīvām parādībām:

• Sūkņu tilpuma efektivitātes kritums pieaugošo iekšējo noplūžu dēļ.
• Iekšējo noplūdes palielināšanās visā hidrauliskās sistēmas hidrauliskajās sastāvdaļās - sūkņi, vārsti, hidrauliskie sadalītāji, hidrauliskie motori.
• Palielināts noliešanas mezglu nodilums un sūkņu sagraušana darba šķidruma nepietiekamas viskozitātes dēļ, kas nepieciešams, lai nodrošinātu beršanas detaļu eļļošanu.

Saspiešanas pakāpe

Jebkurš šķidrums zem spiediena tiek saspiests. Attiecībā uz eļļām un dzesēšanas šķidrumiem, ko izmanto mašīnbūves hidrauliskajā sistēmā, empīriski ir noteikts, ka kompresijas process ir apgriezti proporcionāls šķidruma masai tās tilpumā. Kompresijas apjoms ir lielāks minerāleļļām, daudz zemāks ūdens daudzumam un daudz mazāks sintētiskajiem šķidrumiem.

Vienkāršās zemas spiediena hidrauliskajās sistēmās šķidruma saspiežamība maznozīmīgi ietekmē sākotnējā tilpuma samazināšanos. Bet spēcīgās mašīnas ar augstspiediena hidraulisko piedziņu un lieliem hidrauliskiem cilindriem šis process izpaužas ievērojami. Hidrauliskajās naftas eļļās ar spiedienu 10,0 MPa (100 bāri) apjoms samazinās par 0,7%. Tajā pašā laikā kinemātiskā viskozitāte un eļļas veids nelielā mērā ietekmē kompresijas apjoma izmaiņas.

Secinājums

Viskozitātes koeficienta noteikšana ļauj prognozēt iekārtu un mehānismu darbību dažādos apstākļos, ņemot vērā izmaiņas šķidruma vai gāzes sastāvā, spiedienā, temperatūrā. Arī šo rādītāju uzraudzība ir svarīga naftas un gāzes nozarē, pašvaldību pakalpojumu, citās nozarēs.