AKADEMIA TECHNICZNO - ROLNICZA

w BYDGOSZCZY

KATEDRA MECHANIKI STOSOWANEJ

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Skład zespołu: GRUPA A

• PIOTR ZIELIŃSKI SEMESTR IV

ROK AKADEM. 1996/97

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:

--> [Author:(null)] - 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	7	4	4	4
		2	10	5,5	3,5	3,5
		3	14,5	9,5	3,1	3,1
		4	24	13,5	3	3
		5	39	21	4	3,5
		6	69	35,5	7	4
		7	100	58	11,5	6
		8	100	100	21	10,5
		9	100	100	35	17,3
		10	100	100	63,8	31
		11	100	100	100	52,1
		12	100	100	100	90,2
		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	1,272	848	1,5	13,04	8693,333
		2b	2,7	1,749	647,7778	2,7	11,41	4225,926
		1a	3	2,226	742	3	13,04	4346,667
		3b	4,5	3,021	671,3333	4,5	10,106	2245,778
		2a	5,4	3,18	588,8889	5,4	11,41	2112,963
		4b	8,1	4,293	530	8,1	9,78	1207,407
		3a	9	4,611	512,3333	9	10,106	1122,889
		5b	13,5	6,678	494,6667	13,5	11,41	845,1852
		4a	16,2	7,632	471,1111	16,2	9,78	603,7037
		6b	24,3	11,289	464,5679	24,3	13,04	536,6255
		5a	27	12,402	459,3333	27	13,04	482,963
		7b	40,5	18,444	455,4074	40,5	19,56	482,963
		6a	48,6	21,942	451,4815	48,6	22,82	469,5473
		8b	72,9	31,8	436,214	72,9	34,23	469,5473
		7a	81	31,8	392,5926	81	37,49	462,8395
		9b	121,5	31,8	261,7284	121,5	56,398	464,1811
		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	114,1	469,5473
		11b	364,5	31,8	87,2428	364,5	169,846	465,9698
		10a	437,4	31,8	72,70233	437,4	207,988	475,5098
		12b	656	31,8	48,47561	656	294,052	448,25
		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

WNIOSKI:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z różnymi metodami pomiaru lepkości oraz analizą otrzymanych wyników.

Na podstawie modelu matematycznego, opisującego krzywą płynięcia cieczy reostabilnych tzw. (model potęgowy Ostwalda-de Waele) stwierdzamy, że :

• dla cieczy pierwszej

Wartość wskaźnika płynięcia cieczy „n”, otrzymany w obliczeniach podczas badań n = 0,000 jest mniejszy od 1, (trudno na podstawie dostępnej literatury zinterpretować wartość n = 0,000).

Z tabeli wyników i wykresu widać, że wzrost szybkości ścinania powoduje spadek lepkości pozornej.

Na podstawie powyższych informacji oraz otrzymanych podczas pomiarów wyników możemy stwierdzić (prawdopodobni), ze badaną cieczą jest:

ciecz nienewtonowska, reostabilna, nie posiadająca granicy płynięcia, rozrzedzana ścinaniem.

Z otrzymanych pomiarów możemy także określić stałą konsystencji, która jest równa: k = 0,251.

• dla cieczy drugiej

Wartość wskaźnika płynięcia cieczy „n”, otrzymany w obliczeniach podczas badań n = 0,863 jest mniejszy od 1, (jest jednak zbliżona do cieczy newtonowskiej n =1)

Z tabeli wyników i wykresu widać, że wzrost szybkości ścinania powoduje spadek lepkości pozornej.

Na podstawie powyższych informacji oraz otrzymanych podczas pomiarów wyników możemy stwierdzić (prawdopodobni), ze badaną cieczą jest:

ciecz nienewtonowska, reostabilna, nie posiadająca granicy płynięcia, rozrzedzana ścinaniem.

Z otrzymanych pomiarów możemy także określić stałą konsystencji, która jest równa: k = 0,956.

---