Viskoossuskoefitsient. Dünaamilise viskoossuse koefitsient. Viskoossuse koefitsendi füüsikaline tähendus

Viskoossuse koefitsient on töötav vedeliku või gaasi põhiparameeter. Füüsilistel tingimustel võib viskoossust määratleda sisemise hõõrdumisega, mis on põhjustatud vedeliku (gaasilise) massi massi moodustavate osakeste liikumisest või lihtsalt liikumistakistusest.

Mis on viskoossus?

Kõige lihtsam empiiriline viskoossuse määramise kogemus: sileda kogus vett valatakse samaaegselt sama suures koguses vett ja õli sujuvalt kallutatud pinnale. Vee äravool on kiirem kui õli. See on rohkem vedelikku. Teisaldatav õli takistab selle molekulide kiiret hõõrdumist (sisemine vastupidavus - viskoossus). Seega on vedeliku viskoossus pöördvõrdeline tema voolavusega.

Viskoossuse koefitsient: valem

Lihtsustatud kujul võib torustikus viskoosse vedeliku liikumise protsessi vaadelda tasapinnaliste paralleelsete kihtide A ja B kujul, millel on sama pindala S, mille vahekaugus on h.

Need kaks kihti (A ja B) liiguvad erineva kiirusega (V ja V + ΔV). Kihi A, millel on suurim kiirus (V + ΔV), hõlmab kihti B, mis liigub madalamal kiirusel (V). Samal ajal kipub kiht A kihi A kiirust aeglustuma. Viskoossuse koefitsendi füüsikaline tähendus on see, et voolu kihtide takistust esindavate molekulide hõõrdumine kujutab jõudu, mida Isaac Newton kirjeldab järgmise valemiga:

F = μ × S × (ΔV / h)

Siin:

• ΔV on vedeliku voolu kihtide liikumiste kiiruste erinevus;
• H on vedeliku voolu kihtide vaheline kaugus;
• S on vedeliku voolu kihi pindala;
• M (mu) on koefitsient, mis sõltub vedeliku omadusest, mida nimetatakse absoluutseks dünaamiliseks viskoossuseks.

SI süsteemi ühikutes on valem järgmine:

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

Siin F on töövedeliku ühiku mahu gravitatsioon (kaal).

Viskoossuse väärtus

Enamikul juhtudel mõõdetakse dünaamilist viskoossuse koefitsienti sentipuaasides (cps) vastavalt CGS-i ühikute süsteemile (sentimeetri gramm, teine). Praktikas on viskoossus seotud vedeliku massi ja selle mahu suhtega, see tähendab vedeliku tihedusega:

P = m / V

Siin:

• P on vedeliku tihedus;
• M on vedeliku mass;
• V on vedeliku maht.

Dünaamilise viskoossuse (μ) ja tiheduse (ρ) suhet nimetatakse kinemaatilise viskoossusega ν (ν - kreeka keeles):

N = μ / ρ = [m ² / s]

Muide, viskoossuse koefitsiendi määramise meetodid on erinevad. Näiteks mõõdetakse kinemaatiline viskoossus vastavalt CGS-süsteemile sentistokides (cSt) ja staarides (St):

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

Vee viskoossuse määramine

Vee viskoossuse koefitsient määratakse, mõõtes vedeliku voolu aega läbi kalibreeritud kapillaartoru. See seade kalibreeritakse teadaoleva viskoossusega standardse vedeliku abil. Kinemaatilise viskoossuse määramiseks, mõõdetuna mm ² / s, korrutatakse vedeliku voolu aeg, mis on mõõdetud sekundites, konstantse väärtusega.

Võrdlusühikuna kasutatakse destilleeritud vee viskoossust, mille väärtus on muutumatu temperatuuriga peaaegu konstantne. Viskoossuse koefitsient on ajavahemiku sekundites suhe, kui destilleeritud vee kogus on vajalik kalibreeritud aukist välja voolamiseks, samasuguse väärtuseni katses kasutatava vedeliku jaoks.

Viskoosid

Viskoossust mõõdetakse Engleri (° E), Saybolt universaalsete sekundite ("SUS") või Redwoodi kraadides (° RJ) kraadides sõltuvalt kasutatud viskosimeetri kraadidest. Kolme viskosimeetri tüübid erinevad vaid vedeliku voolava koguse poolest.

Euroopa ühikulis viskoossust mõõtvate viskoosimeeter on Engleri kraad (° E), arvutatud 200 cm3 heitvee vedeliku kohta. Universaalsete Saybolt'i sekundites ("SUS" või "SSU") viskoossus, mis mõõdab USA-d, sisaldab 60 cm3 testitava vedeliku viskoossust. Inglismaal, kus kasutatakse Redwoodi (° RJ) kraadi, mõõdetakse viskoossusvedelikuna 50 cm3 viskoossust. Näiteks, kui 200 º C teatud õli voolab kümme korda aeglasemalt kui sarnane vee maht, siis on Engleri viskoossus 10 ° E.

Kuna temperatuur on võtmetähtsusega tegur, mis muudab viskoossuse koefitsienti, viiakse mõõtmised esmalt läbi konstantsel temperatuuril 20 ° C ja seejärel kõrgematel temperatuuridel. Tulemus väljendub sellega, et lisatakse sobiv temperatuur, näiteks: 10 ° E / 50 ° C või 2,8 ° E / 90 ° C. Vedeliku viskoossus temperatuuril 20 ° C on kõrgem kui selle viskoossus kõrgematel temperatuuridel. Hüdraulikaõlidel on asjakohane temperatuuril järgmine viskoossus:

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

Tähenduste tõlge

Viskoossuse koefitsiendi määramine toimub erinevates süsteemides (Ameerika, inglise, GHS), mistõttu on sageli vaja andmeid tõlgendada ühelt mõõtmest süsteemilt teisele. Vee-viskoossuse väärtuste teisendamiseks, mis on väljendatud Engleri kraadides sentistokidesse (mm ² / s), kasutage järgmist empiirilist valemit:

N (cSt) = 7,6 x ° E × (1-1 / ° E3)

Näiteks:

• 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.

Hüdraulikaõli standardse viskoossuse kiireks määramiseks saab valemit lihtsustada järgmiselt:

N (cSt) = 7,6 x ° E (mm ² / s)

Võttes kinemaatilise viskoossuse ν mm ² / s või cSt, saab seda muuta dünaamilise viskoossuse koefitsiendiks μ, kasutades järgmist suhet:

M = ν × ρ

Näide. Erinevate valemite kokkuvõtet Engleri kraadide (° E), sentistokide (cSt) ja sentipoise (cp) tõlkimiseks eeldame, et hüdroõli tihedusega ρ = 910 kg / m ³ on kinemaatilise viskoossusega 12 ° E, mis on cSt ühikutes:

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

Kuna 1sСт = 10 ^-6 m ² / s ja 1сП = 10 ^-3 N s / m ² , on dünaamiline viskoossus võrdne:

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

Gaasi viskoossuskoefitsient

Selle määrab gaasi kompositsioon (keemiline, mehaaniline), mis mõjutab temperatuuri, rõhku ja mida kasutatakse gaasi liikumisega seotud gaasikanalite arvutustes. Praktikas võetakse gaaside viskoossust arvesse gaasiväljade väljatöötamisel, kus koefitsientide muutused arvutatakse vastavalt gaasikompositsiooni muutustele (eriti gaasikondensaadiväljadele), temperatuurile ja rõhule.

Arvutage õhu viskoossuse koefitsient. Protsessid sarnanevad ülalnimetatud kahe veevooluga. Oletame, et kaks gaasi voolu U1 ja U2 liiguvad paralleelselt, kuid erineval kiirusel. Kihtide vahele jääb molekulide konvektsioon (vastastikune läbitungimine). Selle tulemusena väheneb liikuva õhuvoolu tempo kiiremini ja kiireneb esialgu liikumine aeglasemalt.

Vastavalt Newtoni seadusele on õhu viskoossuse koefitsient väljendatud järgmise valemiga:

F = -h × (dU / dZ) × S

Siin:

• DU / dZ on kiiruse gradient;
• S on jõu mõju ala;
• Koefitsient h on dünaamiline viskoossus.

Viskoossuse indeks

Viskoossuse indeks (IV) on parameeter, mis korreleerib viskoossuse ja temperatuuri muutusi. Korrelatsiooniline sõltuvus on statistiline suhe, antud juhul kahes koguses, mille puhul temperatuurimuutus kaasneb viskoossuse süstemaatilise muutumisega. Mida kõrgem on viskoossuse indeks, seda väiksem on kahe väärtuse muutus, see tähendab, et töövedeliku viskoossus on temperatuuri muutudes stabiilsem.

Õli viskoossus

Kaasaegsete õlide baasil on viskoossuse indeks väiksem kui 95-100 ühikut. Seetõttu võib masinate ja seadmete hüdraulilistes süsteemides kasutada piisavalt stabiilset töövedelikku, mis piirab viskoossuse suurt erinevust kriitilistel temperatuuridel.

Soodsa viskoossuse koefitsienti saab säilitada õli destilleerimisel saadud õli lisamisega (polümeerid) . Nad suurendavad õli viskoossuse indeksit, piirates selle omaduse muutumist lubatud vahemikus. Praktikas, kui sisestatakse nõutav lisaainete kogus, võib baasõli madala viskoossuse indeksit suurendada kuni 100-105 ühikuni. Samal ajal vähendab nii saadud segu oma omadusi kõrge rõhu ja soojuskoormusega, vähendades seeläbi söödalisandi efektiivsust.

Võimas hüdraulikasüsteemide vooluahelate puhul tuleks kasutada töövedelikke, mille viskoossusindeks on 100 ühikut. Viskoossuse indeksivorminguid kasutavaid töövedelikke kasutatakse hüdraulilistes juhtimisahelates ja muudes süsteemides, mis töötavad madala / keskmise rõhu piires piiratud temperatuuri muutustega, väikeste lekketega ja partii režiimis. Suureneva rõhu korral suureneb ka viskoossus, kuid see protsess toimub survega üle 30,0 MPa (300 baari). Praktikas on seda tegurit sageli tähelepanuta jäetud.

Mõõtmine ja indekseerimine

Kooskõlas rahvusvaheliste ISO standarditega väljendatakse vee (ja muu vedeliku) viskoossuse koefitsienti sentistokides: cSt (mm ² / s). Töödeldavate õlide viskoossuse mõõtmised tuleb läbi viia temperatuuridel 0 ° C, 40 ° C ja 100 ° C. Igal juhul tuleb õlimärgistuse koodil näidata viskoossus temperatuuril 40 ° C. GOSTis määratakse viskoossus väärtusele 50 ° C. Tehnikavaldkonnas kõige sagedamini kasutatavad kaubamärgid on vahemikus ISO VG 22 kuni ISO VG 68.

Hüdroõli VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 40 ° C juures on nende märgistusele vastavad viskoossusväärtused: 22, 32, 46, 68 ja 100 cSt. Hüdraulikasüsteemi hüdrovedeliku optimaalne kinemaatiline viskoossus on vahemikus 16 kuni 36 cSt.

Ameerika Automotive Engineers Association (SAE) kehtestas viskoossuse muutused teatud temperatuuridel ja neile määrati sobivad koodid. Täht K järgnev täht on absoluutne dünaamiline viskoossuskoefitsient μ temperatuuril 0 ° F (-17,7 ° C) ja kinemaatiline viskoossus ν määrati temperatuuril 212 ° F (100 ° C). See indekseerimine puudutab autotööstuses kasutatavaid autorehve (õietransport, mootor jne).

Viskoossuse mõju hüdraulika tööle

Vedeliku viskoossuse koefitsiendi määramine ei seisne mitte ainult teaduslikus ja kognitiivses huvis, vaid on ka oluline praktiline tähendus. Hüdrosüsteemides ei lase töövedelikud mitte ainult pumbast energia üle minna hüdromootoritesse, vaid ka määrida komponentide kõik komponendid ja suunata soojus hõõrdumispaaridelt. Töövoolu viskoossus, mis ei vasta töörežiimile, võib oluliselt mõjutada kogu hüdraulika efektiivsust.

Töövaba vedeliku (väga suure tihedusega õli) kõrge viskoossus põhjustab järgmisi negatiivseid nähtusi:

• Suurenenud vastupidavus hüdraulilise vedeliku voolule põhjustab hüdraulikasüsteemis rõhu liigset langust.
• Juhtsukiiruse aeglustus ja ajamite mehaanilised liikumised.
• Kavitatsiooni väljatöötamine pumbas.
• Tankis olevast õlist on null või liiga madal õhk.
• Hüdraulika võimsus väheneb (vähene tõhusus), kuna vedeliku sisemise hõõrdumise tõttu on suured energiakulud.
• Masina peamise mootori suurenenud pöördemoment, mille põhjuseks on pumba suurenev koormus.
• Suurenenud hõõrdumise põhjustatud hüdraulikavedeliku temperatuur tõuseb.

Seega on viskoossuse koefitsendi füüsikaline tähendus selle mõju (positiivne või negatiivne) sõidukite, masinate ja seadmete sõlmedes ja mehhanismides.

Hüdrauliline toitekaotus

Töötava vedeliku (madala tihedusega õli) madala viskoossusega kaasnevad järgmised negatiivsed nähtused:

• Pumba ruumilise kasuteguri vähenemine sisemise lekke suurenemise tõttu.
• Sisemise lekke tõus kogu hüdraulikasüsteemi hüdraulikasüsteemides - pumbad, ventiilid, hüdrojaoturid, hüdromootorid.
• Pöörlemissõlme suurenenud kulumine ja pumbamisraskused töövoolu ebapiisava viskoossuse tõttu, mis on vajalik hõõrduvate osade määrimiseks.

Kokkusurumine

Surve all olev vedelik surutakse kokku. Masinaehitus-hüdraulikas kasutatavate õlide ja jahutusvedelike osas on empiiriliselt kindlaks tehtud, et surveprotsess on vastupidi proportsionaalne vedeliku massi suhtes selle mahuga. Kompressiooni hulk on mineraalõlide jaoks palju suurem, vesi on tunduvalt madalam ja sünteetilise vedeliku jaoks palju madalam.

Lihtsa madala rõhu hüdrosüsteemides mõjutab vedeliku kokkusurutavus tähtsusetult esialgse ruumala vähenemist. Kuid võimsates masinates, millel on kõrge rõhu hüdrauliline ajam ja suured hüdrosilindrid, ilmneb see protsess märkimisväärselt. Hüdraulilistes mineraalõlides rõhu all 10,0 MPa (100 baari) juures väheneb maht 0,7%. Samal ajal mõjutavad kinemaatiline viskoossus ja õli tüüp väikese koguse kompressiooni mahu muutust.

Järeldus

Viskoossuse koefitsiendi määramine võimaldab prognoosida seadmete ja mehhanismide toimimist erinevates tingimustes, võttes arvesse vedeliku või gaasi koostise muutusi, rõhku, temperatuuri. Nende näitajate jälgimine on oluline ka nafta- ja gaasisektoris, kohalikes omavalitsustes ja teistes tööstusharudes.