Жидкое состояние вещества

Число Рейнольдса определяется следующим  соотношением:

где

ρ — плотность среды, кг/м³;

v — характерная скорость, м/с;

L — характерный размер, м;

η — динамическая вязкость среды, Н*с/м²;

ν — кинематическая вязкость среды, м²/с() ;

Q — объёмная скорость потока;

A — площадь сечения трубы.

Число Рейнольдса как критерий перехода от ламинарного к турбулентному  режиму течения и обратно относительно хорошо действует для напорных потоков. При переходе к безнапорным потокам  переходная зона между ламинарным и  турбулентным режимами возрастает, и  использование числа Рейнольдса как критерия не всегда правомерно. Например, в водохранилищах формально  вычисленные значения числа Рейнольдса очень велики, хотя там наблюдается  ламинарное течение.

2.4 Уравнение или закон Пуазейля - закон, определяющий расход жидкости при установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубе круглого сечения.

Согласно закону, секундный объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту  давления в трубе) и четвёртой  степени радиуса (диаметра) трубы:

где

• Q — расход жидкости в трубопроводе;
• D — диаметр трубопровода;
• v — скорость жидкости вдоль трубопровода;
• r — расстояние от оси трубопровода;
• R — радиус трубопровода;
• p₁ − p₂ — разность давлений на входе и на выходе из трубы;
• η — вязкость жидкости;
• L — длина трубы.

Закон Пуазёйля работает только при ламинарном течении  и при условии, что длина трубки превышает так называемую длину  начального участка, необходимую для  развития ламинарного течения в  трубке.

Течение Пуазёйля характеризуется параболическим распределением скорости по радиусу трубки. В каждом поперечном сечении трубки средняя  скорость вдвое меньше максимальной скорости в этом сечении.

2.5 Турбулентное течение (от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный), форма течения жидкости или газа, при к-рой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа (см. Турбулентность). Наиболее детально изучены Т. т. в трубах, каналах, пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твёрдых тел, а также т. н. свободные Т. т.- струи, следы за движущимися относительно жидкости или газа твёрдыми телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости, не разделёнными к.-л. твёрдыми стенками. Т. т. отличаются от соответствующих ламинарных течений как своей сложной внутренней структурой (рис. 1), так и распределением осреднённой скорости по сечению потока и интегральными характеристиками - зависимостью средней по сечению или макс. скорости, расхода, а также коэфф. сопротивления от Рей-нольдса числа Re. Профиль осреднённой скорости Т. т. в трубах или каналах отличается от параболич. профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центр. части течения (рис. 2). За исключением тонкого слоя около стенки профиль скорости описывается логарифмическим законом (т. е. скорость линейно зависит от логарифма расстояния до стенки). Коэффициент сопротивления:

 
где  
 
- напряжение трения на стенке,  
- плотность жидкости,  
- её скорость, средняя по сечению потока) связан с Re соотношением

 
   В отличие от ламинарных пограничных  слоев, турбулентный пограничный слой обычно имеет отчётливую границу, беспорядочно колеблющуюся со временем (в пределах 0,4 б - 1,2 б, где б - расстояние от стенки, на к-ром осреднённая скорость равна 0,99 v, a v - скорость вне пограничного слоя). Профиль осреднённой скорости в пристенной части турбулентного  пограничного слоя описывается логарифмич. законом, а во внешней части скорость растёт с удалением от стенки быстрее, чем по логарифмич, закону. Зависимость λ от Re здесь имеет вид, аналогичный указанному выше.

 
   Струи, следы и зоны перемешивания обладают приблизит. автомодельностью: в каждом сечении x = const любого из этих Т. т. на не слишком малых расстояниях х от начального сечения можно ввести такие масштабы длины и скорости L(x) и v(x), что безразмерные статистич. характеристики гидродинамич. полей (в частности, профили осреднённой скорости), полученные при применении этих масштабов, будут одинаковыми во всех сечениях.

  
   В случае свободных Т. т. область пространства, занятая завихрённым Т. т., в каждый момент времени имеет чёткую, но очень неправильную форму границ, вне к-рых течение потенциально. Зона перемежающейся турбулентности оказывается здесь значительно более широкой, чем в пограничных слоях.

3.1 Измерение вязкости жидкости. 

Абсолютная  и кинематическая вязкость. При воздействии на жидкость внешних сил она сопротивляется потоку благодаря внутреннему трению. Вязкость - мера этого внутреннего трения.

Кинематическая  вязкость - мера потока имеющей сопротивление  жидкости под влиянием силы тяжести. Когда две жидкости равного объема помещены в идентичные капиллярные  вискозиметры и двигаются самотеком, вязкой жидкости требуется больше времени  для протекания через капилляр. Если одной жидкости требуется для  вытекания 200 секунд,а другой - 400 секунд, вторая жидкость в два раза более  вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости.

 Абсолютная вязкость, иногда называемая динамической или простой вязкость, является произведением кинематической вязкости и плотности жидкости:  
Абсолютная вязкость = Кинематическая вязкость * Плотность  
Размерность кинематической вязкости - L²/T, где L - длина, и T - время). ЕДИНИЦА СИ кинематической вязкости - 1 cSt (сантиСтокс)=mm²/s. Абсолютная вязкость выражается в сантипуазах (сПуаз). ЕДИНИЦА СИ абсолютной вязкости - миллипаскаль-секунда 1 мПа*s =1 сПуаз.

Прибор  для измерения вязкости называется вискозиметр. Вискозиметры можно классифицировать по трем главным типам:

А. Капиллярные вискозиметры измеряют расход фиксированного объема жидкости через малое отверстие при контролируемой температуре. Скорость сдвига можно измерить примерно от нуля до 106 с^-1, заменяя капиллярный диаметр и приложенное давление. Типы капиллярных вискозиметров и их режимы работы:  
   Стеклянный капиллярный вискозиметр (ASTM D 445) — Жидкость проходит через отверстие устанавливаемого - диаметра под влиянием силы тяжести. Скорость сдвига - меньше чем 10 с^-1. Кинематическая вязкость всех автомобильных масел измеряется капиллярными вискозиметрами.  
Капиллярный вискозиметр высокого давления (ASTM D 4624 и D 5481) —Фиксированный объем жидкости выдавливается через стеклянный капилляр диаметра под действием приложенного давления газа. Скорость сдвига может быть изменена до 106 с^-1. Эта методика обычно используется, чтобы моделировать вязкость моторных масел в рабочих коренных подшипниках. Эта вязкость называется, вязкостью при высокой температуре и высоком сдвиге (HTHS) и измеряется при 150°C и 106 с^-1. HTHS вязкость измеряется также имитатором конического подшипника, ASTM D 4683 (см. ниже).  
 
Б. Ротационные вискозиметры используют для измерения сопротивления жидкости течению вращающий момент на вращающемся вале. К ротационным вискозиметрам относятся имитатор холодной прокрутки двигателя (CCS), миниротационный вискозиметр (MRV), вискозиметр Брукфильда и имитатор конического подшипника (TBS). Скорость сдвига может быть изменена за счет изменения габаритов ротора, зазора между ротором и стенкой статора и частоты вращения.  
Имитатор холодной прокрутки (ASTM D 5293) — CCS измеряет кажущуюся вязкость в диапазоне от 500 до 200000 сПуаз. Скорость сдвига располагается между 104 и 105 c^-1. Нормальный диапазон рабочей температуры - от 0 до -40°C. CCS показал превосходную корреляцию с пуском двигателя при низких температурах. Классификация вязкости SAE J300 определяет низкотемпературную вязкостную эффективность моторных масел пределами по CCS и MRV. 

Минироторный  вискозиметр (ASTM D 4684) — тест MRV, который  связан с механизмом прокачиваемости  масла, является измерением при низкой скорости сдвига. Главная особенность  метода - медленная скорость охлаждения образца. Образец подготавливается так, чтобы иметь определенную тепловую предысторию, которая включает нагревание, медленно охлаждение, и циклы пропитки. MRV измеряет кажущееся остаточное напряжение, которое, если большее чем пороговое  значение, указывает на потенциальную  проблему отказа прокачивания, связанную  с проникновением воздуха. Выше некоторой  вязкости (в настоящее время определенной как 60000 сПуаз по SAE J 300), масло может  быть вызвать отказ прокачиваемости  по механизму, называемому "эффект ограниченного  потока". Масло SAE 10W, например, должно иметь максимальную вязкость 60000 сПуаз  при -30°C без остаточного напряжения. С помощью этого метода измеряют также кажущуюся вязкость при  скоростях сдвига от 1 до 50 c^-1.  
   Вискозиметр Брукфильда — определяет вязкость в широких пределах (от 1 до 105 Пуаз) при низкой скорости сдвига (до 102 c^-1).  
   ASTM D 2983 используется прежде всего для определения низкотемпературной вязкости автомобильных трансмиссионных масел, масел для автоматических трансмиссий гидравлических и тракторных масел. Температура - испытаний находится в диапазоне от -5 до -40°C.  
   ASTM D 5133, метод сканирования Брукфильда, измеряет вязкость образца по Брукфильду, при охлаждении с постоянной скоростью 1°C/час. Подобно MRV, метод ASTM D 5133 предназначен для определения прокачиваемости масла при низких температурах. С помощью этого испытания определяется точка структурообразования, определенная как температура, при которой образец достигает вязкости 30,000 сПуаз. Определяется также индекс(показатель) структурообразования как самая большая скорость увеличения вязкости от -5°C к самой низкой испытательной температуре. Этот метод находит применение для моторных масел, и требуется согласно ILSAC GF-2. Имитатор конического подшипника (ASTM D 4683) — эта методика также позволяет измерять вязкость моторных масел при высокой температуре и высокой скорости сдвига (см. Капиллярный Вискозиметр высокого давления). Очень высокие скорости сдвига получаются за счет чрезвычайно малого зазора между ротором и стенкой статора.

  
В. Разнообразные приборы используют множество других принципов; например, время падения стального шарика или иглы в жидкости, сопротивление вибрации зонда, и давления, прилагаемого к зонду текущей жидкостью.

 
Индекс вязкости   

Индекс  вязкости (ИВ) - эмпирическое число, указывающее  степень изменения в вязкости масла в пределах данного диапазона  температур. Высокий ИВ означает относительно небольшое изменение вязкости с  температурой, а низкий ИВ означает большое изменение вязкости с  температурой. Большинство минеральных  основных масел имеет ИВ между 0 и 110, но ИВ полимерсодержащего масла (multigrage) часто превышает 110.  
   Для определения индекса вязкости требуется определить кинематическую вязкость при 40°C и 100°C. После этого ИВ определяют из таблиц по ASTM D 2270 или ASTM D 39B. Так как ИВ определяется из вязкости при 40°C и 100°C, он не связан с низкотемпературной или HTHS вязкостью. Эти значения получают с помощью CCS, MRV, низкотемпературного вискозиметра Брукфильда и вискозиметров высокой скорости сдвига.  
   SAE не использует ИВ, для классификации моторных масел начиная с 1967, потому что этот термин технически устарел. Однако, методика Американского нефтяного института API 1509 описывает систему классификации основных масел, используя ИВ как один из нескольких параметров, чтобы обеспечить принципы взаимозаменяемости масел и универсализацию шкалы вязкости.

3.2.Измерение объёма и расхода жидкости.

Для измерения  расхода жидкостей применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия: расходомеры переменного и постоянного перепада давлений, переменного уровня, электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, тепловые и турбинные.

Для измерения  количества вещества применяют расходомеры  с интеграторами или счетчики. Интегратор непрерывно суммирует показания  прибора, а количество вещества определяют по разности его показаний за требуемый  промежуток времени.

Измерение расхода и количества является сложной  задачей, поскольку на показания  приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и  т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий  эксплуатации, главным образом от температуры и давления.

Если  условия эксплуатации расходомера  отличаются от условий, при которых  производилась его градуировка, то ошибка в показаниях прибора может  значительно превысить допустимое значение. Поэтому для серийно  выпускаемых приборов установлены  ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов  в жидкости и т. п.