Апакашев Р.А., доктор химических наук, профессор
Валиев Н.Г., доктор технических наук, профессор
Красиков С.А., доктор технических наук, профессор Остапук Л.П., соискатель Ахмадинурова А.Р.
(Уральский государственный горный университет)
МЕТОД КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЖИДКИХ СИСТЕМ В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ
ЗНАЧЕНИЙ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ1
Рассмотрен метод количественного определения реологических параметров высокотемпературных жидких систем в широкой области значений скорости течения.
Ключевые слова: жидкое состояние вещества, реологические параметры, скорость течения.
METHOD OF QUANTITATIVE DETERMINATION OF THE RHEOLOGICAL PARAMETERS OF HIGH-TEMPERATURE LIQUID SYSTEMS IN A WIDE RANGE CURRENT VELOCITIES
Presented by a description of the method of quantitative determination of the rheological parameters of high-temperature liquid systems in a wide range current velocities.
Keywords: liquid substances, rheological parameters, flow rate.
Учет реологических свойств жидкостей, в том числе и высокотемпературных, важен при проведении многих технологических операций. Необходимо иметь в виду, что упругость жидкости может играть большую роль в проявлении ее вязкостных свойств.
Для определения численного значения параметров, характеризующих реологические свойства жидкой системы, получили распространение различные ротационные приборы [1]. Однако большинство этих приборов не обеспечивают возможность измерений как в области малых значений предела прочности и модуля сдвига (менее 10-3 Па), так и в области малых скоростей деформации (менее 10-4 с-1). Это обусловлено тем, что чувствительным элементом в них обычно является твердый упругий элемент (торсион) определенной жесткости. Созданные в последнее время высокочувствительные ротационные вискозиметры, например, с электромагнитным приводом сложны в аппаратурном оформлении и не предназначены для работы с высокотемпературными жидкостями. Поэтому представляет интерес разработка метода, позволяющего проводить измерения реологических параметров жидких систем в широком интервале температур и в широкой области значений скорости течения.
Предлагается изучать затухающее вращательное течение расплавов по инерции в цилиндрическом контейнере с погруженным в него зондом. При этом возможно исключение чувствительного элемента в виде торсиона и исключение или существенное уменьшение энергетических потерь в опорах трения вращающегося зонда. Для практической реализации данной методики в настоящей работе разработан вискозиметр вращательного типа с цилиндрическим телом вращения, погружаемым в расплав. Особенностью этого вискозиметра является верхнее крепление шпинделя, соединенного с телом вращения. Шпиндель подвешен на «водном подшипнике» (поплавке).
1
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.1097
Не удалось подобрать какую-либо иную опору, обеспечивающую достаточно малое сопротивление медленному вращению. Этот узел прибора дополнен маховиком, который придает осесимметричной вращающейся системе значительный момент инерции (I = 4,5-10-3 кг-м2), так что медленное вращение по инерции (ю = 10-2 рад/с и менее) сохраняется минуты и десятки минут. Движение маховика можно подробно записать с помощью шкалы. При этом необходимо изолировать вискозиметр от случайных внешних воздействий. Очень важно также задать исходный импульс движения маховика в виде «чистого» вращения.
Разработанную методику апробировали, исследуя расплав В203 (950 К) и глицерин (285 К). Размер цилиндрической емкости с жидкостью (расплавом) выбрали таким образом, чтобы можно было пренебречь действием боковых стенок на тело вращения и донным эффектом. Для каждой жидкости фиксировали скорость затухающего вращения маховика, первоначально получившего импульс от «мягкой» направленной струи воздуха. В результате экспериментов установлено, что медленное затухание маховика переходит во вращательные колебания, причем можно наблюдать несколько полуволн таких колебаний в течение получаса. В неблагоприятном случае может выявиться только смена направления вращения -«отдача», после чего изучаемое движение теряется на фоне случайных воздействий. Отмечено влияние на воспроизводимость результатов чистоты воды, используемой в измерительном устройстве, и наличия на ее поверхности адсорбционной пленки. Поэтому в каждом эксперименте использовали свежую дистиллированную воду.
Появление «отдачи» или вращательных колебаний свидетельствует о том, что жидкая система имеет в объеме заметную сдвиговую упругость и предел прочности. Действительно, если жидкость - ньютоновская и ее реологические свойства определяются одним коэффициентом вязкости п, то вращение в этом случае будет лишь экспоненциально затухать. Так, для используемого вискозиметра а = -Мп . Здесь Мп - момент сил вязкого сопротивления,
равный произведению напряжения вязких сил (г^ = п® ) на величину боковой поверхности тела вращения (£=2пгЪ, Ъ - высота тела вращения) и на радиус тела вращения г. Радиус тела вращения равен плечу момента. Получается Мп = 2пг2Ъп® . Трение на торцевых поверхностях тела вращения не учитывается. Далее можно получить Ж = -Мп = 2пг2Ъп® . После интегрирования этого уравнения имеем:
® = ®0 ехр(2пг 2Ъп/1). (1)
В координатах 1п ю - I зависимость (1) линейна, по тангенсу угла ее наклона можно определить вязкость жидкости п.
Если жидкость имеет хотя бы малый предел прочности о0 и модуль сдвиговой упругости О, то при достаточно малой скорости ю, когда т = п^ = к'пю < о0, экспоненциальное затухание вращения сменится вращательными колебаниями. Тогда Ыю/Л = -МО . Здесь МО _ момент
упругих напряжений, равный произведению их величины (тО = ОО; 0 - текущий угол отклонения) на боковую поверхность тела вращения и на плечо г. Следовательно, МО = 2пг2ЪОО. Учтем, что ® = йб/& , тогда:
й2 О ж2 + 2пг 2ЪООД = 0. (2)
Уравнение (2) является уравнением свободных колебаний вида х" + К2 X = 0 с частотой К и с периодом Т0 = 2п/к , причем к = (г 2ЪО/I) '. Получаем:
в = в0 БШ
(г 2ЬО/1))
(3)
Модуль О можно определить по величине периода T0 вращательных колебаний О = 2П/(Т02г 2Ь ).
Ниже приведены значения О, о0, п для исследованных в работе жидкостей:
В2О3 (950 К) С3Н8О3 (285 К)
О, о0, Па 33 1,3
П, Пас 100 2,7
Отметим, что при сопоставлении результатов реометрии, полученных по разработанной методике, с данными других авторов отмечается удовлетворительная корреляция.
Работа вискозиметра, рассмотренного в настоящей работе, в стадии колебаний напоминает метод Е.Г. Швидковского [2]. Отличие состоит в том, что в методе, используемом в настоящей работе, возвращающая сила колебаний связана с упругостью самой жидкости, а в методе Швидковского - с упругостью нити подвеса.
С помощью измерительного прибора, использованного в работе, выявляются и более тонкие явления или «эффекты второго порядка». Так, наблюдается тенденция к увеличению периода вращательных колебаний по мере уменьшения их амплитуды. Видимо, упругие напряжения нарастают с деформацией не линейно, а более круто.
ЛИТЕРАТУРА
1. Малкин А.Я. Реология: концепции, методы, приложения: Пер. с англ. / А. Я. Малкин, А. И. Исаев. - СПб.: Профессия, 2007. - 557 с.
2. Вяткин Г.П., Елюхина И.В. Возможности крутильно-колебательного метода для изучения упругих вязкопластичных свойств // Доклады АН. - 2006. - Т. 406, № 6. - С. 753-755.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.