WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 129 | 130 || 132 | 133 |   ...   | 140 |

Если растворитель — вода, то оболочка называется гидратной, а процесс — гидратацией. Для данного механизма определяющим фактором является прочность связи между сольватной оболочкой и поверх­ностью дисперсной фазы. До тех пор, пока эта связь настолько прочна, что с увеличением скорости деформации удерживает оболочку на поверхности частицы, вязкость не уменьша­ется. Однако с увеличением градиента скорости больше определенной величины происходит постепенный отрыв сначала верхних, а затем и более глубоких слоев сольватных оболочек. Частицы дисперсной фазы при этом как бы «освобождаются».

Если учесть, что кажущаяся вязкость псевдопластической среды является функцией объема структуры, то становится понятным, почему описанное явление сопровождается уве­личением текучести — наступает уменьшение фактической объемной концентрации дис­персной фазы. Процесс снижения вязкости продолжается до тех пор, пока все сольватные оболочки не разрушатся. Согласно данным Б.М.

Смольского и соавт. (1970), обязательное превышение кажущейся вязкости при относительно низких скоростях деформации над вяз­костью при достаточно высоких градиентах скорости объясняется тем, что, вопервых, при малых скоростях деформации прохождение дисперсной среды через сольватированные час Рис. 10.5. Кривые вязкости (а) и течения (б) ньютоновской (1), псевдопластичной (2) и дилансной жидкостей (3).

тицы «затруднено» более, чем в случае больших скоростей сдвига, и, вовторых, взаимодей­ствие между частицами более выражено ввиду их больших относительных размеров при низ­ких скоростях деформации. Повидимому, имеют место оба механизма возникновения псев­допластичности.

Реже, чем псевдопластичные, встречаются дилансные среды. Индекс течения п у них больше единицы. Это означает, что вязкость у таких материалов увеличивается с ростом ско­рости деформации. Кривые течения и вязкости такой среды представлены на рис. 10.5, а, график 3. Явление дилансии впервые обнаружено О. Рейнольдсом.

Необходимо различать реологическую и объемную дилансию. Явление реологической дилансии состоит в увеличе­нии вязкости с ростом скорости деформации вследствие увеличения объема дисперсной фазы системы при деформирующем воздействии. Как более общий случай реологической дилансии можно выделить объемную дилансию, при которой увеличение объема дисперсной фазы не сопровождается изменением кажущейся вязкости среды. Общепринятое толкование дилансии заключается в том, что при сдвиге как бы изменяется «упаковка» частиц твердой дисперсной фазы, она становится более «свободной». Это в свою очередь приводит к увели­чению относительного объема дисперсной фазы. Возникновение такой своеобразной «по­ристой» структуры, в которой жидкие элементы дисперсионной среды сочетаются со своего рода элементами «пустоты», и приводит к феномену дилансии.

До сих пор речь шла о текучих средах с так называемой стационарной реологией. К жидкостям с нестационарной реологией относятся такие, которые обладают свойствами тиксотропии и реопексии. Сущность тиксотропии заключается в том, что при течении с по­стоянной скоростью деформации неньютоновская жидкость со временем становится нью­тоновской (подчеркнем, что псевдопластичные и дилансные среды также ведут себя как ньютоновские, но лишь в определенных пределах скоростей деформации). В отличие от псевдопластичных сред, структура которых начинает меняться с ростом скорости деформа­ции постепенно, у тиксотропных сред для этого требуется время.

Явлением, противоположным тиксотропии, является реопексия, или антитиксотропия.

Среды, обладающие свойством реопексии, характеризуются тем, что их вязкость увеличива­ется в результате возникновения течения. В отличие от дилансных сред для изменения структуры реопектической жидкости необходимо, чтобы прошло определенное время после начала воздействия деформаций.

Таким образом, нами кратко рассмотрены все типы неньютоновских жидкостей в соот­ветствии с приведенной выше классификацией, за исключением нелинейновязкопластичных жидкостей. Само название этого типа жидкостей говорит о том, что их главной особенностью является сочетание пластичности и вязкости с уклонением кривых течения от линейной формы. У жидкостей типа Шведова—Бингама кривая течения представляет собой прямую линию, которая не проходит через начало координат. Класс нелинейновязкопластичных жид­костей имеет наиболее важное практическое значение. Поскольку, как будет показано ниже, большинство охарактеризованных сред можно рассматривать как частный случай нелинейновязкопластичных, необходимо остановиться на свойствах последних более детально.



Длительное время в теории и практике реологии широко использовалось уравнение Шведова—Бингама (уравнение 10). Было принято считать, что оно является универсальным для широкого класса реальных вязкопластичных систем. В результате развития инструмен­тальной реологии (реометрии) обнаружилось, что в области низких скоростей деформации кривая течения реальных сред уклоняется от прямой линии. Другими словами, выяснилась несостоятельность модели Шведова—Бингама.

Более того, было показано, что если эффек­ты, связанные с нелинейностью кривой течения в области низких скоростей деформации, не принимать во внимание, то, например, при расчете расхода жидкости при ее течении через трубы можно получить величины, почти на порядок отличающиеся от действительных. Это послужило импульсом для появления вначале различных модификаций модели Шведова— Бингама, а затем и достаточно пестрого набора других оригинальных моделей.

Приведем лишь наиболее популярные:

модель Гершеля—Балкли:

т = т0 + к ¦ у' (15) (модель получена путем добавления к пределу текучести степенного закона, описывающего поведение псевдопластических и дилансных жидкостей); модель Кессона:

(16) = Vt0 + у1ц ¦ у ;

модель Шульмана:

(17) Между тем, несмотря на обилие моделей, ни одна из них не является универсальной для всего спектра скоростей деформации. Наибольшего интереса заслуживает модель Шульмана, которая характерна тем, что из нее выводится ряд других реологических законов. Например, при п = 1 она превращается в модель Шведова, а при п = 2 — в модель Кессона. Однако и модель Шульмана, по мнению самого же автора, не всегда позволяет использовать ее для аппроксимации всей кривой течения реальной жидкости.

Позднее З.П. Шульманом (1976) предложена более обобщенная реологическая модель:

т1/п = vl/in (18) где п, m — индексы течения.

Эта модель предполагает нелинейность пластичности и вязкости. Она в сущности вклю­чает в себя большинство имеющихся реологических уравнений.

Подводя итог, можно сказать, что, вопервых, существует целый класс сред или реоло­гических систем, которые могут быть охарактеризованы как неньютоновские текучие систе­мы (неньютоновские жидкости). Их отличительной чертой является наличие переменной вязкости. Вовторых, переменная вязкость (в смысле ц/у) может быть обусловлена либо не­линейной зависимостью между текучестью и градиентом скорости (т0 = 0), либо, наоборот, наличием предела текучести (т0 # 0), либо тем и другим вместе. Втретьих, для описания та­кого рода текучих систем существует несколько реологических уравнений. Наиболее обоб­щающим из них является уравнение Шульмана (18).

Очевидно, что в зависимости от особенностей конкретной нелинейновязкопластичной среды индексы пит должны подбираться индивидуально — применительно к каждому ма­териалу. Чем более строго они будут определены, тем точнее можно будет отразить реологи­ческие особенности той или иной жидкости.

Реологические свойства различных текучих систем важны, безусловно, не сами по себе, а главным образом в связи с тем, что они нередко определяют резкие отличия в параметрах течения этих сред. Рассмотрим, как сказываются реологические особенности неньютонов­ских жидкостей на характеристике расхода потока и профилях скоростей при течении в ци­линдрической трубке.

Рис. 10.6. Поршневая аналогия течения (объяснение в тексте).

Обычно для этих целей используется так называемая поршневая аналогия.

Рассмотрим отрезок трубки радиусом г и длиной 1. Представим внутри ее цилиндрический элемент жид­кости («поршень») радиусом R и длиной L (рис. 10.6).

На этот элемент с торцов действуют давления Р, и Р2, разница между которыми ЛР приводит его в равномерное движение (при Р. * Р2) Силы давления F, и F2, действующие на торцы, будут соответственно равны:

F, nR2 P, P F2 = Кроме того, на этот элемент действуют силы сопротивления, обусловленные наличием касательных напряжений, действующих по его периметру. Они равны 27iR.Lt. Силы давления и силы сопротивления противоположны по направлению и при равномерном движении равны, т. е. 2tiRLt = 71R2 • АР:





х = 2L дР R • ДР 2tiRL Таким образом, мы получили функциональную зависимость, связывающую напряжения с геометрией (размерами) трубки. Из полученного уравнения следует, что напряжение, воз­никающее по периметру цилиндрического элемента, при прочих равных условиях всегда пропорционально перепаду давления в системе.

Проанализируем, какие отличия возникают при таком течении между ньютоновской и неньютоновской жидкостями. В качестве неньютоновской рассмотрим псевдопластичную жидкость, подчиняющуюся степенному закону. В левом столбце будем рассчитывать показа­тели течения ньютоновской, а в правом — неньютоновской жидкости.

Ньютоновская жидкость Неньютоновская жидкость (псевдопластичная) RAP 2L ' так называемое уравнение равномерного дви­жения dV R•ДР т = туу = dR 2L ' тогда, подставив, получаем:

уравнение Ньютона, затем подставив, полу­чаем:

dV = R ДРdR n2L • 2Lk ¦dR Решаем уравнение относительно V и после Решаем это уравнение относительно V и по интегрирования получаем: еле интегрирования получаем:

1 R I ЛР V1 г " Выразим скорость через расход:

Выразим скорость через расход:

q= 71 ¦ АР JR3dR, З+1/n тогда или, что то же самое:

q = 7tR4AP 8Lti ' Это соотношение есть не что иное, как за­кон Пуазейля.

3n+l fRAPV Из приведенных соотношений видно, что в одном из них расход пропорционален ДР в первой степени, а в другом — в степени 1/п, т.е.:

Q ~ ДР Q ~ Например, у ньютоновской жидкости расход при увеличении ДР в 2 раза увеличится также вдвое, а у псевдопластичной (при п = '/2) — в 22, т.е. в 4 раза, а при п = 0,1 — в 210, т.е. в 1000 раз.

ДР ~ R (19) где D = 2R.

Это означает, что при прочих равных условиях малейшее изменение D резко ска­зывается на ДР в системе.

У псевдопластичных жидкостей п близ­ко к нулю, поэтому ДР пропорционально D не в четвертой степени, как в уравнении Пу­азейля, а в первой степени, кроме того, в этом случае ДР ~ Q". Это означает, что пере­пад давления ДР в системе, по которой течет псевдопластичная жидкость, не так сильно чувствителен к расходу и диаметру, как в случае с ньютоновской жидкостью.

Наличие у текучей среды неньютоновских свойств имеет огромное практическое значе­ние, если речь идет о циркуляции такой среды в системе с определенным функциональным назначением. Профили скоростей неньютоновских жидкостей при их течении по трубе пред­ставлены на рис. 10.7.

После некоторых математических преобразований можно получить выражение для рас­чета максимальной скорости течения по трубе:

v = v v max " где V — средняя скорость; R — радиус трубы; г — расстояние между слоями_жидкости.

Для ньютоновской жидкости n=1, тогда Vmax = 2V (1 r2/R2), a V,nax/V = 2,0, т.е. V = 0,5 Vinax. Таким образом, для ньютоновских жидкостей типичен параболический закон рас­пределения скоростей (см. рис. 10.7, эпюр 3).

Для псевдопластичной жидкости с п, равным, например, 0,5, V = 0,6 Vmax.

Наиболее характерной особенностью профиля скорости многих неньютоновских жид­костей служит появление так называемой квазистержневой зоны. Как следует из графиков на рис. 10.7, уменьшение индекса течения п неньютоновских жидкостей приводит к расши­рению квазистержневой зоны, т.е. профили скоростей становятся как бы более заполненны­ми, а максимальная скорость уменьшается.

2,0 1, R/Ro 1,0 0, 0, 0, 0, 1, Рис. 10.7. Профили скоростей различных сред.

1 — предельно дилансный материал (п = a>); 2 — дилансная жидкость (n>1);

3 — ньютоновская жидкость (n=1); 4 — псевдопластичная жидкость (n<1);

5 — предельно псевдопластичный материал.

КРОВЬ КАК НЕНЬЮТОНОВСКАЯ ЖИДКОСТЬ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕЕ РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Гемореология — это реология крови. Если оценивать это понятие несколько шире, то, кроме механических характеристик, гемореология изучает тепловые, электрические, магнит­ные и диффузионные свойства крови и ее компонентов. В классической реологии этот раз­дел оформился в самостоятельное направление — реофизику, в гемореологии же такого раз­дела пока не выделяют.

Pages:     | 1 |   ...   | 129 | 130 || 132 | 133 |   ...   | 140 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.