Συντελεστής ιξώδους. Συντελεστής δυναμικού ιξώδους. Η φυσική σημασία του συντελεστή ιξώδους

2024 Συγγραφέας: Angel Austin | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 05:22

Ο συντελεστής ιξώδους είναι βασική παράμετρος ενός ρευστού ή αερίου που λειτουργεί. Με φυσικούς όρους, το ιξώδες μπορεί να οριστεί ως η εσωτερική τριβή που προκαλείται από την κίνηση των σωματιδίων που αποτελούν τη μάζα ενός υγρού (αέριου) μέσου ή, πιο απλά, η αντίσταση στην κίνηση.

Τι είναι το ιξώδες

Το απλούστερο εμπειρικό πείραμα για τον προσδιορισμό του ιξώδους: η ίδια ποσότητα νερού και λαδιού χύνονται ταυτόχρονα σε μια λεία κεκλιμένη επιφάνεια. Το νερό αποστραγγίζεται πιο γρήγορα από το λάδι. Είναι πιο ρευστή. Ένα κινούμενο λάδι εμποδίζεται να στραγγίσει γρήγορα από την υψηλότερη τριβή μεταξύ των μορίων του (εσωτερική αντίσταση - ιξώδες). Έτσι, το ιξώδες ενός υγρού είναι αντιστρόφως ανάλογο της ρευστότητάς του.

Λόγος ιξώδους: τύπος

Σε απλοποιημένη μορφή, η διαδικασία κίνησης ενός παχύρρευστου ρευστού σε έναν αγωγό μπορεί να θεωρηθεί με τη μορφή επίπεδων παράλληλων στρωμάτων Α και Β με την ίδια επιφάνεια S, η απόσταση μεταξύ των οποίων είναι h.

Αυτά τα δύο στρώματα (Α και Β) κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες (V και V+ΔV). Το στρώμα Α, που έχει την υψηλότερη ταχύτητα (V+ΔV), περιλαμβάνει το στρώμα Β, το οποίο κινείται με χαμηλότερη ταχύτητα (V). Ταυτόχρονα, το στρώμα Β τείνει να επιβραδύνει την ταχύτητα του στρώματος Α. Η φυσική έννοια του συντελεστή ιξώδους είναι ότι η τριβή των μορίων, που είναι η αντίσταση των στρωμάτων ροής, σχηματίζει μια δύναμη που ο Ισαάκ Νεύτων περιέγραψε από τον παρακάτω τύπος:

F=μ × S × (ΔV/h)

Εδώ:

ΔV είναι η διαφορά στις ταχύτητες των στρωμάτων ροής ρευστού;
h – απόσταση μεταξύ στρωμάτων ροής ρευστού;
S – επιφάνεια του στρώματος ροής ρευστού;
Μ (mu) - ένας συντελεστής που εξαρτάται από την ιδιότητα του υγρού, που ονομάζεται απόλυτο δυναμικό ιξώδες.

Σε μονάδες SI, ο τύπος μοιάζει με αυτό:

µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Πασκάλ × δευτερόλεπτο)

Εδώ F είναι η δύναμη της βαρύτητας (βάρος) του μοναδιαίου όγκου του ρευστού εργασίας.

Τιμή ιξώδους

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο συντελεστής δυναμικού ιξώδους μετριέται σε centipoise (cP) σύμφωνα με το σύστημα μονάδων CGS (εκατοστό, γραμμάριο, δευτερόλεπτο). Στην πράξη, το ιξώδες σχετίζεται με την αναλογία της μάζας ενός υγρού προς τον όγκο του, δηλαδή με την πυκνότητα του υγρού:

ρ=m / V

Εδώ:

ρ – πυκνότητα υγρού;
m – μάζα υγρού;
V είναι ο όγκος του υγρού.

Η σχέση μεταξύ δυναμικού ιξώδους (Μ) και πυκνότητας (ρ) ονομάζεται κινηματικό ιξώδες ν (ν – στα ελληνικά –γυμνό):

ν=Μ / ρ=[m²/s]

Με την ευκαιρία, οι μέθοδοι για τον προσδιορισμό του συντελεστή ιξώδους είναι διαφορετικές. Για παράδειγμα, το κινηματικό ιξώδες εξακολουθεί να μετράται σύμφωνα με το σύστημα CGS σε centistokes (cSt) και σε κλασματικές μονάδες - Stokes (St):

1St=10^-4 m²/s=1 cm²/s;
1sSt=10^-6 m²/s=1 mm²/s.

Προσδιορισμός του ιξώδους του νερού

Το ιξώδες του νερού προσδιορίζεται με τη μέτρηση του χρόνου που χρειάζεται για να ρέει το υγρό μέσω ενός βαθμονομημένου τριχοειδούς σωλήνα. Αυτή η συσκευή είναι βαθμονομημένη με ένα τυπικό ρευστό γνωστού ιξώδους. Για να προσδιοριστεί το κινηματικό ιξώδες, μετρημένο σε mm²/s, ο χρόνος ροής του ρευστού, μετρημένος σε δευτερόλεπτα, πολλαπλασιάζεται με μια σταθερά.

Μονάδα σύγκρισης είναι το ιξώδες του απεσταγμένου νερού, η τιμή του οποίου είναι σχεδόν σταθερή ακόμη και όταν αλλάζει η θερμοκρασία. Ο συντελεστής ιξώδους είναι ο λόγος του χρόνου σε δευτερόλεπτα που χρειάζεται ένας σταθερός όγκος απεσταγμένου νερού για να ρέει από ένα βαθμονομημένο στόμιο προς αυτόν του ρευστού που ελέγχεται.

Ιξωδόμετρα

Το ιξώδες μετριέται σε βαθμούς Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") ή βαθμούς Redwood (°RJ) ανάλογα με τον τύπο του ιξωδόμετρου που χρησιμοποιείται. Οι τρεις τύποι ιξωδόμετρων διαφέρουν μόνο στην ποσότητα υγρό που ρέει έξω.

Ιξωδόμετρο που μετρά το ιξώδες στον ευρωπαϊκό μοναδιαίο βαθμό Engler (°E), υπολογισμένο200cm³ εκροή υγρού μέσου. Ένα ιξωδόμετρο που μετρά το ιξώδες σε Saybolt Universal Seconds ("SUS" ή "SSU" που χρησιμοποιείται στις ΗΠΑ) περιέχει 60 cm³ του υγρού δοκιμής. Στην Αγγλία, όπου χρησιμοποιούνται βαθμοί Redwood (°RJ), το ιξωδόμετρο μετρά το ιξώδες των 50 cm³ υγρού. Για παράδειγμα, εάν 200 cm³ ενός συγκεκριμένου λαδιού ρέουν δέκα φορές πιο αργά από τον ίδιο όγκο νερού, τότε το ιξώδες Engler είναι 10°E.

Επειδή η θερμοκρασία είναι βασικός παράγοντας για την αλλαγή του συντελεστή ιξώδους, οι μετρήσεις γίνονται συνήθως πρώτα σε σταθερή θερμοκρασία 20°C και μετά σε υψηλότερες τιμές. Το αποτέλεσμα εκφράζεται έτσι προσθέτοντας την κατάλληλη θερμοκρασία, για παράδειγμα: 10°E/50°C ή 2,8°E/90°C. Το ιξώδες ενός υγρού στους 20°C είναι υψηλότερο από το ιξώδες του σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Τα υδραυλικά λάδια έχουν τα ακόλουθα ιξώδη στις αντίστοιχες θερμοκρασίες τους:

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

Μετάφραση τιμών

Ο προσδιορισμός του συντελεστή ιξώδους συμβαίνει σε διαφορετικά συστήματα (αμερικάνικα, αγγλικά, GHS) και επομένως είναι συχνά απαραίτητη η μεταφορά δεδομένων από ένα σύστημα διαστάσεων σε άλλο. Για να μετατρέψετε τις τιμές ιξώδους ρευστού που εκφράζονται σε βαθμούς Engler σε centistokes (mm²/s), χρησιμοποιήστε τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο:

ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)

Για παράδειγμα:

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

Για να προσδιορίσετε γρήγορα το τυπικό ιξώδες του υδραυλικού λαδιού, ο τύπος μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής:

ν(cSt)=7,6 × °E(mm²/s)

Έχοντας ένα κινηματικό ιξώδες ν σε mm²/s ή cSt, μπορείτε να το μετατρέψετε σε συντελεστή δυναμικού ιξώδους Μ χρησιμοποιώντας την ακόλουθη σχέση:

M=ν × ρ

Παράδειγμα. Συνοψίζοντας τους διάφορους τύπους μετατροπής για βαθμούς Engler (°E), centistokes (cSt) και centipoise (cP), ας υποθέσουμε ότι ένα υδραυλικό λάδι με πυκνότητα ρ=910 kg/m³ έχει κινηματικό ιξώδες 12° E, το οποίο σε μονάδες cSt είναι:

ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm²/s.

Επειδή 1cSt=10^-6m²/s και 1cP=10^-3N×s/m², τότε το δυναμικό ιξώδες θα είναι:

M=ν × ρ=90,3 × 10^-6 910=0,082 N×s/m²=82 cP.

Συντελεστής ιξώδους αερίου

Προσδιορίζεται από τη σύσταση (χημική, μηχανική) του αερίου, την επίδραση της θερμοκρασίας, της πίεσης και χρησιμοποιείται σε αεριοδυναμικούς υπολογισμούς που σχετίζονται με την κίνηση του αερίου. Στην πράξη, το ιξώδες των αερίων λαμβάνεται υπόψη κατά τον σχεδιασμό των εξελίξεων των πεδίων αερίου, όπου οι μεταβολές του συντελεστή υπολογίζονται ανάλογα με τις αλλαγές στη σύνθεση του αερίου (ιδιαίτερα σημαντικές για τα πεδία συμπυκνώματος αερίου), τη θερμοκρασία και την πίεση.

Υπολογίστε το ιξώδες του αέρα. Οι διαδικασίες θα είναι παρόμοιες μετα δύο ρεύματα που συζητήθηκαν παραπάνω. Ας υποθέσουμε ότι δύο ρεύματα αερίου U1 και U2 κινούνται παράλληλα, αλλά με διαφορετικές ταχύτητες. Συναγωγή (αμοιβαία διείσδυση) των μορίων θα συμβεί μεταξύ των στρωμάτων. Ως αποτέλεσμα, η ορμή του ρεύματος αέρα που κινείται πιο γρήγορα θα μειωθεί και του αρχικά κινούμενου πιο αργού ρεύματος θα επιταχυνθεί.

Ο συντελεστής ιξώδους του αέρα, σύμφωνα με το νόμο του Νεύτωνα, εκφράζεται με τον ακόλουθο τύπο:

F=-h × (dU/dZ) × S

Εδώ:

dU/dZ είναι η κλίση ταχύτητας;
S – περιοχή πρόσκρουσης δύναμης;
Συντελεστής h - δυναμικό ιξώδες.

Δείκτης ιξώδους

Ο δείκτης ιξώδους (VI) είναι μια παράμετρος που συσχετίζει τις αλλαγές στο ιξώδες και τη θερμοκρασία. Η συσχέτιση είναι μια στατιστική σχέση, σε αυτήν την περίπτωση δύο ποσότητες, στις οποίες μια αλλαγή στη θερμοκρασία συνοδεύει μια συστηματική αλλαγή στο ιξώδες. Όσο υψηλότερος είναι ο δείκτης ιξώδους, τόσο μικρότερη είναι η αλλαγή μεταξύ των δύο τιμών, δηλαδή το ιξώδες του ρευστού εργασίας είναι πιο σταθερό με τις αλλαγές θερμοκρασίας.

μέθοδοι για τον προσδιορισμό του συντελεστή ιξώδους

Ιξώδες λαδιού

Οι βάσεις των σύγχρονων λαδιών έχουν δείκτη ιξώδους κάτω από 95-100 μονάδες. Επομένως, στα υδραυλικά συστήματα μηχανών και εξοπλισμού, μπορούν να χρησιμοποιηθούν επαρκώς σταθερά ρευστά εργασίας, τα οποία περιορίζουν την ευρεία μεταβολή του ιξώδους υπό συνθήκες κρίσιμων θερμοκρασιών.

Ο «ευνοϊκός» συντελεστής ιξώδους μπορεί να διατηρηθεί με την εισαγωγή στο λάδι ειδικών πρόσθετων (πολυμερών) που λαμβάνονται κατά την απόσταξη του λαδιού. Αυξάνουν τον δείκτη ιξώδους των λαδιών γιαλόγω περιορισμού της αλλαγής αυτού του χαρακτηριστικού στο επιτρεπόμενο διάστημα. Στην πράξη, με την εισαγωγή της απαιτούμενης ποσότητας πρόσθετων, ο δείκτης χαμηλού ιξώδους του βασικού λαδιού μπορεί να αυξηθεί στις 100-105 μονάδες. Ωστόσο, το μείγμα που λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο αλλοιώνει τις ιδιότητές του σε υψηλή πίεση και θερμικό φορτίο, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα του πρόσθετου.

Στα κυκλώματα ισχύος ισχυρών υδραυλικών συστημάτων, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται υγρά εργασίας με δείκτη ιξώδους 100 μονάδες. Τα υγρά εργασίας με πρόσθετα που αυξάνουν τον δείκτη ιξώδους χρησιμοποιούνται σε υδραυλικά κυκλώματα ελέγχου και άλλα συστήματα που λειτουργούν στο εύρος χαμηλής / μέσης πίεσης, σε περιορισμένο εύρος θερμοκρασίας, με μικρές διαρροές και σε λειτουργία παρτίδας. Με την αύξηση της πίεσης, το ιξώδες αυξάνεται επίσης, αλλά αυτή η διαδικασία συμβαίνει σε πιέσεις άνω των 30,0 MPa (300 bar). Στην πράξη, αυτός ο παράγοντας συχνά παραμελείται.

Μέτρηση και ευρετηρίαση

Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα ISO, ο συντελεστής ιξώδους του νερού (και άλλων υγρών μέσων) εκφράζεται σε centistokes: cSt (mm²/s). Οι μετρήσεις ιξώδους των ελαίων διεργασίας πρέπει να πραγματοποιούνται σε θερμοκρασίες 0°C, 40°C και 100°C. Σε κάθε περίπτωση, στον κωδικό ποιότητας λαδιού, το ιξώδες πρέπει να υποδεικνύεται με ένα σχήμα σε θερμοκρασία 40 ° C. Στο GOST, η τιμή ιξώδους δίνεται στους 50°C. Οι βαθμοί που χρησιμοποιούνται πιο συχνά στα υδραυλικά μηχανικής κυμαίνονται από ISO VG 22 έως ISO VG 68.

Τα υδραυλικά λάδια VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 στους 40°C έχουν τιμές ιξώδους που αντιστοιχούν στη σήμανση: 22, 32, 46, 68 και 100 cSt. Αριστοςτο κινηματικό ιξώδες του ρευστού εργασίας στα υδραυλικά συστήματα κυμαίνεται από 16 έως 36 cSt.

Η Αμερικανική Εταιρεία Μηχανικών Αυτοκινήτου (SAE) έχει καθορίσει εύρη ιξώδους σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες και τους έχει εκχωρήσει τους κατάλληλους κωδικούς. Ο αριθμός που ακολουθεί το W είναι το απόλυτο δυναμικό ιξώδες Μ στους 0°F (-17,7°C) και το κινηματικό ιξώδες ν προσδιορίστηκε στους 212°F (100°C). Αυτή η ευρετηρίαση ισχύει για λάδια όλων των εποχών που χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία (κιβώτιο ταχυτήτων, κινητήρα, κ.λπ.).

Επίδραση του ιξώδους στα υδραυλικά συστήματα

Ο προσδιορισμός του συντελεστή ιξώδους ενός υγρού δεν έχει μόνο επιστημονικό και εκπαιδευτικό ενδιαφέρον, αλλά έχει επίσης σημαντική πρακτική αξία. Στα υδραυλικά συστήματα, τα λειτουργικά υγρά όχι μόνο μεταφέρουν ενέργεια από την αντλία στους υδραυλικούς κινητήρες, αλλά λιπαίνουν επίσης όλα τα μέρη των εξαρτημάτων και αφαιρούν τη θερμότητα που παράγεται από τα ζεύγη τριβής. Το ιξώδες του ρευστού εργασίας που δεν είναι κατάλληλο για τον τρόπο λειτουργίας μπορεί να βλάψει σοβαρά την απόδοση όλων των υδραυλικών συστημάτων.

Το υψηλό ιξώδες του ρευστού εργασίας (λάδι πολύ υψηλής πυκνότητας) οδηγεί στα ακόλουθα αρνητικά φαινόμενα:

Η αυξημένη αντίσταση στη ροή του υδραυλικού υγρού προκαλεί υπερβολική πτώση πίεσης στο υδραυλικό σύστημα.
Επιβράδυνση της ταχύτητας ελέγχου και των μηχανικών κινήσεων των ενεργοποιητών.
Ανάπτυξη σπηλαίωσης στην αντλία.
Μηδενική ή πολύ χαμηλή απελευθέρωση αέρα από το υδραυλικό λάδι δεξαμενής.
Αξιοσημείωτοαπώλεια ισχύος (μείωση απόδοσης) των υδραυλικών λόγω υψηλού ενεργειακού κόστους για να ξεπεραστεί η εσωτερική τριβή του ρευστού.
Αυξημένη ροπή κινητήριας μηχανής που προκαλείται από αυξημένο φορτίο αντλίας.
Αύξηση της θερμοκρασίας του υδραυλικού υγρού λόγω αυξημένης τριβής.

Έτσι, η φυσική σημασία του συντελεστή ιξώδους έγκειται στην επιρροή του (θετική ή αρνητική) στα εξαρτήματα και τους μηχανισμούς των οχημάτων, μηχανών και εξοπλισμού.

Απώλεια υδραυλικής ισχύος

Το χαμηλό ιξώδες του ρευστού εργασίας (λάδι χαμηλής πυκνότητας) οδηγεί στα ακόλουθα αρνητικά φαινόμενα:

Μείωση της ογκομετρικής απόδοσης των αντλιών ως αποτέλεσμα της αυξανόμενης εσωτερικής διαρροής.
Αύξηση των εσωτερικών διαρροών στα υδραυλικά εξαρτήματα ολόκληρου του υδραυλικού συστήματος - αντλίες, βαλβίδες, υδραυλικοί διανομείς, υδραυλικοί κινητήρες.
Αυξημένη φθορά των μονάδων άντλησης και εμπλοκή των αντλιών λόγω ανεπαρκούς ιξώδους του ρευστού εργασίας που είναι απαραίτητο για την παροχή λίπανσης των εξαρτημάτων τριβής.

συμπιεστότητα

Οποιοδήποτε υγρό συμπιέζεται υπό πίεση. Όσον αφορά τα λάδια και τα ψυκτικά που χρησιμοποιούνται στην υδραυλική μηχανολογία, έχει αποδειχθεί εμπειρικά ότι η διαδικασία συμπίεσης είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα του υγρού ανά όγκο. Ο λόγος συμπίεσης είναι υψηλότερος για τα ορυκτέλαια, σημαντικά χαμηλότερος για το νερό και πολύ χαμηλότερος για τα συνθετικά υγρά.

Σε απλά υδραυλικά συστήματα χαμηλής πίεσης, η συμπιεστότητα του ρευστού έχει αμελητέα επίδραση στη μείωση του αρχικού όγκου. Αλλά σε ισχυρά μηχανήματα με υψηλή υδραυλικήπίεση και μεγάλους υδραυλικούς κυλίνδρους, αυτή η διαδικασία εκδηλώνεται αισθητά. Για υδραυλικά ορυκτέλαια σε πίεση 10,0 MPa (100 bar), ο όγκος μειώνεται κατά 0,7%. Ταυτόχρονα, η μεταβολή του όγκου συμπίεσης επηρεάζεται ελαφρώς από το κινηματικό ιξώδες και τον τύπο του λαδιού.

Συμπέρασμα

Ο προσδιορισμός του συντελεστή ιξώδους σάς επιτρέπει να προβλέψετε τη λειτουργία του εξοπλισμού και των μηχανισμών υπό διάφορες συνθήκες, λαμβάνοντας υπόψη τις αλλαγές στη σύνθεση ενός υγρού ή αερίου, την πίεση, τη θερμοκρασία. Επίσης, ο έλεγχος αυτών των δεικτών είναι σχετικός στον τομέα του πετρελαίου και του φυσικού αερίου, στις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας και σε άλλους κλάδους.