AKADEMIA TECHNICZNO - ROLNICZA

w BYDGOSZCZY

KATEDRA MECHANIKI STOSOWANEJ

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Skład zespołu: GRUPA C

• MAREK SZCZUTKOWSKI SEMESTR IV

• MARCIN CHODOWICZ ROK AKAD. 1996/97

• ANDRZEJ WISŁOCKI

Ćwiczenie nr 11.

Temat: Wyznaczanie krzywych płynięcia cieczy nienewtonowskich.

1. Wprowadzenie.

Wszystkie ciała występujące w przyrodzie, odkształcają się pod wpływem działających na sił. Można wyróżnić:

• odkształcenie sprężyste (odwracalne), które zanika całkowicie po odjęciu sił zewnętrznych

• odkształcenie plastyczne (nieodwracalne), które nie zanika całkowicie po odjęciu sił zewnętrznych

• odkształcenie lepkościowe czyli płynięcie charakteryzujące się stałym wzrostem pod wpływem działającego naprężenia stycznego.

Dla płynów „ doskonale lepkich'' prędkość z jaką deformacja narasta jest proporcjonalna do działającego naprężenia tj. :

μ - współczynnik lepkości dynamicznej

Płyny spełniające to równanie są płynami newtonowskimi.

Wszystkie płyny nie spełniające prawa Newtona noszą nazwę płynów nienewtonowskich.

2.Ogólna klasyfikacja płynów nienewtonowskich.

Wyróżniamy następujące grupy płynów nienewtonowskich:

- Płyny reostabilne (czysto-lepkie) - szybkość ścinania w dowolnym punkcie pola przepływu jest funkcją wyłącznie naprężenia stycznego.

Płyny reostabilne dzielimy na płyny:

• nie mające granicy płynięcia

• rozrzedzane ścinaniem

• zagęszczane ścinaniem

• posiadające granicę płynięcia

• plastyczno - lepkie płyny Binghama

• nieliniowe płyny plastyczno - lepkie

- Płyny reologiczne-niestabilne - szybkość ścinania zależy nie tylko od naprężenia stycznego, ale również od czasu ścinania.

Płyny te dzielimy na płyny:

• tiksotropowe

• antytisotropowe

- Płyny lepkosprężyste - są to płyny posiadające pewne cechy charakterystyczne zarówno dla ciał stałych jak i cieczy wykazujące częściowy powrót sprężysty po odkształceniu (tzw. relaksację naprężeń).Charakterystyka cieczy lepkosprężystych wymaga uwzględnienia zarówno naprężenia stycznego i szybkości ścinania jak również pochodnych względem czasu obu tych wielkości.

- Układy wielofazowe - z reguły nie są traktowane jako ośrodek ciągły (np. zawiesiny dużych cząstek ciała stałego w cieczy lub gazie, układy ciecz-gaz, emulsje itp.)

Ciecze reostabilne ,(rozrzedzane ścinaniem i zagęszczane ścinaniem), stanowią najbardziej w przyrodzie reprezentowaną grupę cieczy. Prawo tarcia wewnętrznego można przedstawić w postaci:

- nazywamy lepkością pozorną

Ciecze dla których wzrost szybkości ścinania powoduje spadek lepkości pozornej nazywamy cieczami rozrzedzanymi ścinaniem. Jeśli zaś daje się zaobserwować wzrost lepkości pozornej, wówczas ciecze takie nazywamy cieczami zagęszczanymi ścinaniem.

Przykładami cieczy rozrzedzanych ścinaniem są:

• niektóre stopione polimery

• zawiesiny glinu, iłu w wodzie

Ciecze zagęszczane ścinaniem występują bardzo rzadko w przyrodzie. Przykładem takich cieczy są:

• osady farb olejnych

• stężone zawiesiny

Ciecze plastycznolepkie ,są to ciała charakteryzujące się występowaniem granicznego naprężenia stycznego , poniżej którego substancje te zachowują się jak ciała stałe, zaś powyżej jak ciecze, nazywamy plastycznolepkimi cieczami nienewtonowskimi. Są to układy dyspersyjne w których jedna faza lub więcej jest rozproszona w postaci cząstek lub pęcherzyków w ośrodku ciągłym i które tworzą strukturę odporną na naprężenia styczne, nie przekraczające wartości granicznej ,zwanej granicą płynięcia lub granicznym naprężeniem stycznym. Przy zmniejszeniu naprężenia stycznego poniżej granicznego zniszczona struktura cieczy ulega natychmiastowej odbudowie (substancja zachowuje się jak ciało stałe).

Przykładem plastycznolepkich cieczy nienewtonowskich są:

• czekolada, szlam cementowy

• niektóre smary

• papkowate suspensje kredy i wapna

• pasty itp.

Płyny reologiczne niestabilne

Płyny tiksotropowe

Zjawisko tiksotropii polega na tym, że w warunkach przepływu izotermicznego płynu, który znajdował się uprzednio przez dłuższy czas w stanie spoczynku, przy stałej szybkości ścinania naprężenie styczne maleje odwracalnie z upływem czasu. Następuje rozpad struktury płynu w czasie ścinania. Są to na ogół układy koloidalne, chociaż nie tylko. Zol pozostawiony w spoczynku zestala się w żel, który pod wpływem wstrząsów (ścinania) może przejść ponownie w zol. Jest to zjawisko odwracalne.

Płyny antytisotropowe

Zjawisko antytiksotropii jest zjawiskiem odwrotnym do tiksotropii. Polega ona na tym, że w warunkach przepływu izotermicznego płynu, który przez dłuższy czas pozostawał w spoczynku naprężenie styczne rośnie odwracalnie z upływem czasu. Mówimy wówczas, że w czasie ścinania następuje tworzenie struktury. Płyny antytiksotropowe nie odgrywają większej roli w technice gdyż występują w przyrodzie bardzo rzadko. Do cieczy antytiksotropowch zaliczamy wodne roztwory pięciotlenku wanadu, wodne zawiesiny gipsu itp.

Ciecze lepkosprężyste

Podasawową grupę płynów lepkosprężystych stanowią roztwory i stopy polimerów wysokocząsteczkowych. Typowym przykładem cieczy lepkosprężystej jest smoła. Cechą charakterystyczną cieczy lepkosprężystych jest występowanie dodatkowych naprężeń normalnych w trakcie ścinania.

Wynikiem występowania naprężeń normalnych są dwa charakterystyczne dla cieczy lepkosprężystych efekty:

• efekt Barusa - polegający na tym, że przy przetłaczaniu cieczy przez kapilarę następuje na jej wylocie rozszerzenie wypływającego strumienia do średnicy przekraczającej często kilkakrotnie średnicę kapilary.

• efekt Weisenberga - polega na tym, że przy ruchu obrotowym pręta zanurzonego w cieczy przemieszcza się ona wbrew sile ciężkości i sile odśrodkowej w kierunku wałka, pnąc się przy tym po pręcie do góry.

3.Przebieg ćwiczenia.

Aby wykreślić charakterystykę krzywej płynięcia za pomocą Rheotestu należy wielokrotnie wykonać pomiaru szybkości ścinania i odpowiadających im naprężeń stycznych τ cieczy na ściance wirującego walca wewnętrznego. Ponieważ, szybkość ścinania cieczy w szczelinie pomiędzy cylindrami jest wprostproporcjonalna do liczby obrotów n wirującego walca, zatem realizuje się określoną jej wartość przez ustawienie pokrętła skrzynki przekładniowej w odpowiednim położeniu.

W trakcie ćwiczenia należy odczytywać α dla wskazanych wartości szybkości ścinania zgodnie z nastawami podanymi w protokóle pomiarów.

	Ćwiczenie nr 11
	Reometria rotacyjna-wyznaczanie krzywych płynięcia
		Zbiornik	Naprężenia styczne
		pomiarowy/	Zakres I	Zakres II
		Cylinder	z
		pomiarowy	Pa/skal	Pa/skal
		N/N	0,318	3,26
		S/S1	0,565	5,83
		S/S2	0,597	6,17
		S/S3	0,784	8,13
		H/H	2,87	29,18
		Protokół pomiarów
		Nastawa	Zakres pom. I		Zakres pom. II
		reometru	a		a
		rotacyjnego	a	b	a	b
		1	4	5	4	4
		2	12	7	4	4
		3	18	10	4	4
		4	28	14	4	4
		5	44	22	4	4
		6	76	39	7	4
		7	100	63	12	6
		8	100	100	21	11
		9	100	100	34	17
		10	100	100	62	31
		11	100	100	100	52
		12	100	100	100	90
		Wyniki obliczeń
				Zakres I			Zakres II
		Nastawa	g	t	h	g	t	h
		reometru	1/s	Pa	mPa s	1/s	Pa	mPa s
		1b	1,5	1,59	1060	1,5	13,04	8693,333
		2b	2,7	2,226	824,4444	2,7	13,04	4829,63
		1a	3	1,272	424	3	13,04	4346,667
		3b	4,5	3,18	706,6667	4,5	13,04	2897,778
		2a	5,4	3,816	706,6667	5,4	13,04	2414,815
		4b	8,1	4,452	549,6296	8,1	13,04	1609,877
		3a	9	5,724	636	9	13,04	1448,889
		5b	13,5	6,996	518,2222	13,5	13,04	965,9259
		4a	16,2	8,904	549,6296	16,2	13,04	804,9383
		6b	24,3	12,402	510,3704	24,3	13,04	536,6255
		5a	27	13,992	518,2222	27	13,04	482,963
		7b	40,5	20,034	494,6667	40,5	19,56	482,963
		6a	48,6	24,168	497,284	48,6	22,82	469,5473
		8b	72,9	31,8	436,214	72,9	35,86	491,9067
		7a	81	31,8	392,5926	81	39,12	482,963
		9b	121,5	31,8	261,7284	121,5	55,42	456,1317
		8a	145,8	31,8	218,107	145,8	68,46	469,5473
		10b	218,7	31,8	145,4047	218,7	101,06	462,0942
		9a	243	31,8	130,8642	243	110,84	456,1317
		11b	364,5	31,8	87,2428	364,5	169,52	465,0754
		10a	437,4	31,8	72,70233	437,4	202,12	462,0942
		12b	656	31,8	48,47561	656	293,4	447,2561
		11a	729	31,8	43,6214	729	326	447,1879
		12a	1312	31,8	24,2378	1312	326	248,4756

Przykład wykresu zależności naprężenia stycznego i lepkości pozornej od szybkości ścinania

---