Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Неньютоновские жидкости.




 

Течение некоторых жидкостей (коллоидных растворов, нефтей с большим содержанием асфальтенов и парафинов, растворы полимеров и т.д.) не подчиняются закону Ньютону. Такие жидкости в реологии принято называть неньютоновскими или аномальными.

Закон Ньютона обычно нарушается при течении коллоидных растворов с удлиненными частицами дисперсной фазы, способными деформироваться в поле напряжений и структурированных систем. Такие коллоидные системы обладают определенными механическими свойствами – пластичностью, упругостью, прочностью и вязкостью. Эти свойства в большинстве случаев связаны с образованием структуры в жидкости, и поэтому их часто называют структурно-механическими или реологическими свойствами.

Основы реологии коллоидных растворов впервые изучены Ф.Н.Шведовым, Бингамом и Грином. В 1889 году Ф.Н. Шведов, позже в 1916 году Бингам установили, что течение системы с пространственной структурой начинается лишь тогда, когда напряжение сдвига τ превышает определенное критическое значение τ0, необходимое для разрушения в жидкости структурной сетки. Такое течение было названо пластическим, а критическое напряжение сдвига – пределом текучести или предельным напряжением сдвига.

Систему, течение которой подчиняется такой идеализированной схеме, в реологии называют телом Бингама или бингамовскими пластиками. Они описываются следующим реологическим уравнением Бингама-Шведова:

τ – τ0 = μ’ du (2)
dx

где μ’ – пластическая вязкость системы.

Для ньютоновских жидкостей предельное напряжение сдвига равно нулю, и уравнение (2) переходит в закон Ньютона, а пластическая вязкость – в истинную вязкость. Из уравнения (2) следует: система до τ0 упруго деформируется, после этого течет с постоянной пластической вязкостью μ’ = (τ –τ0) / (du/dx).

В области упругой деформации вязкость бингамовского пластика чрезвычайно высокая. Здесь упруго деформируется структурный «каркас» из частиц дисперсной фазы. При превышении τ0, согласно уравнению Бинагама-Шведова, структурная сетка мгновенно разрушается, и вязкость системы принимает постоянное значение.

Линия консистентности бингамова тела выражается прямой линией, отсекающей отрезок на оси абсцисс, равный τ0 от начала координат (рис.1).

Рис.1. Линия консистентности и зависимость μ’ от τ для пластической жидкости.

 

Примером систем, хорошо подчиняющихся уравнению (2), могут служить нефти с высоким содержанием парафинов при температурах ниже температуры кристаллизации. Однако у многих реальных структурированных коллоидных систем линия консистентности оказывается не прямой, а кривой, отсекающей на оси напряжений сдвига некоторый отрезок (рис.2). В этом случае при достижении предела текучести структура разрушается не сразу, а постепенно, по мере увеличения скорости сдвига.



 

 
 

Рис.2. Линия консистентности и зависимость μ’ от τ для реальной упруго-пластической системы.

 

Для характеристики механических свойств структуры в этом случае вводят три параметра: минимальный предел текучести (статическое напряжение сдвига), соответствующий началу течения жидкости τ0; предел текучести по Бингаму (динамическое напряжение сдвига по Бингаму) τБ; максимальный предел текучести (напряжение сдвига предельного разрушения структуры), при котором кривая переходит в прямую линию τm (рис.2). Значение τm равно напряжению, при котором структура в жидкости полностью разрушается.

Математическая модель упруго-пластической жидкости выражается следующей степенной зависимостью:

τ – τ0 = κ ﴾ du ﴿n (3)
dx

где κ – мера консистентности жидкости. С увеличением вязкости жидкости мера консистентности растет; n – степень неньютоновского поведения системы. Значение n всегда меньше единицы. Чем больше n отличается от единицы, тем сильнее проявляются неньютоновские свойства жидкости.

Кажущаяся вязкость системы определяется из соотношения

В качестве примера упруго-пластической жидкости можно указать на масляную краску, буровые растворы, высоко парафинистую дегазированную нефть с температурой ниже температуры насыщения парафином. Например, линии консистентности такой формы (рис.2) обнаружены у некоторых нефтей месторождений Азербайджана, Узбекистана, Казахстана.



На практике наличие статического напряжения сдвига у жидкости часто играет положительную роль. Так, толщина слоя краски, оставленная после нанесения на вертикальную поверхность, определяется величиной τ0. Следовательно, изменяя значение τ0, можно регулировать резкойкраски на покраску поверхности.

При бурении скважин процесс проходки часто прерывается. Применение качественных буровых растворов позволяет удерживать во взвешенном состоянии часть выше выбуренной породы и тем самым предотвращатьполомкубурового инструмента. При этом регулирование параметров и размеров частиц удерживаемого в буровом растворе шлама достигается подбором параметра τ0.

Рис.3. Линия консистентности и зависимость μ’ от τ для вязкопластической системы.

 

То же самое наблюдается и при течении растворов высокомолекулярных соединений с гибкими, свернутыми в клубок макромолекулами, например, у водных растворов полимеров. Здесь снижение вязкости обусловлено распрямлением молекул и ориентацией в направлении потока. Система ведет себя при течении как жидкость, в которой взвешены частицы, способные ориентироваться или деформироваться.

Во всех этих случаях речь идет о кажущейся или эффективной вязкости, так как истинная вязкость жидкости от скорости течения не зависит.

Механические свойства псевдопластической жидкости характеризуются двумя параметрами: динамическим напряжением сдвига предельного разрушения структуры или ориентирования частиц в потоке τm (рис.3). Реологическое уравнение у таких систем выражают в виде степенной зависимости

Кажущаяся вязкость вязко-пластической жидкости выражается следующим образом:

Здесь и в предыдущем случае необходимо иметь в виду, что для реальной жидкости n является переменным и зависящим от скорости сдвига. Поэтому при решении практических задач значение n следует определять в ограниченном пределе скоростей сдвига. Кроме того, неудобство использования степенного закона обусловлено зависимостью размерности меры консистентности от показателя степени.

В настоящее время для увеличения нефтеотдачи пластов, при воздействии на призабойную зону скважин и проведении изоляционных работ применяются растворы полимеров. В некоторых условиях в пористой среде они проявляют свойства дилатантных жидкостей.

Термин «дилатантная» можно применять для тех жидкостей, кажущаяся вязкость которых с увеличением скорости сдвига повышается (рис.4).

Рис.4. Линия консистентности и зависимость кажущейся вязкости от напряжения сдвига для дилатантной жидкости.

 

Такой тип течения был впервые обнаружен Рейнольдсом в суспензиях при большом содержании твердой фазы и крахмальных клейстерах. Рейнольдс при объяснении дилатантных свойств суспензий высказывает предположение о том, что в состоянии покоя твердые частицы имеют наиболее плотную упаковку, а пространство между частицами заполнено жидкостью. При течении суспензии с небольшой скоростью жидкость служит смазкой, уменьшающей трение между частицами, и напряжения сдвига невелики. При больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается, увеличивается объем суспензии и уже при новой структуре жидкости ее недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц. Действующие напряжения сдвига при этом увеличиваются значительно быстрее, чем скорости сдвига.

Для описания реологического поведения дилатантной жидкости также применяют степенной закон, но с показателем степени больше единицы.

 


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.008 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал