165511 (739777), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

(1.10)

где - напряжение внутреннего трения; dv/dR - градиент скорости по радиусу трубы или относительное изменение скорости по направлению, перпендикулярному к направлению течения, т.е. приращением скорости на единицу длины нормали; — коэффициент (касательное усилие на единицу площади, приложенное к слоям жидкости, отстоящим друг от друга на расстоянии, равном единице длины, при единичной разности скоростей между ними).

Внутреннее трение, характеризуемое величиной , немецкий ученый М. Якоб в 1928 году предложил называть динамической вязкостью. В тех­нической литературе за утвердилось наименование абсолютной вязкости, так как эта величина выражается в абсолютных единицах. Однако в абсо­лютных единицах, можно выражать также и единицы кинематической и удельной вязкости. Термин «динамическая вязкость» соответствует физиче­скому смыслу , так как согласно учению о вязкости входит в уравнение, связывающее силу внутреннего трения с изменением скорости на единицу расстояния, перпендикулярного к плоскости движущейся жидкости.

Впервые же динамическая вязкость была выведена врачом Пуазейлем в 1842 г. при изучении процессов циркуляции крови в кровеносных сосудах. Пуазейль применил для своих опытов очень узкие капилляры (диаметром 0,03-0,14 мм), т.е. он имел дело с потоком жидкости, движение которого было прямолинейно послойным (ламинарным). Вместе с тем исследователи, работавшие до Пуазейля, изучали закономерность истечения жидкости в более широких капиллярах, т.е. имели дело с возникающим турбулентным (вихревым) истечением жидкости. Проведя серию опытов с капиллярами, соединенными с шарообразным резервуаром, через которые под действием сжатого воздуха пропускался некоторый объем жидкости, определенный отметками, сделанными сверху и снизу резервуара, Пуазейль пришел к сле­дующим выводам: 1) количество жидкости, вытекающее в единицу време­ни, пропорционально давлению при условии, что длина трубки превышает некоторый минимум, возрастающий с увеличением радиуса. 2) количество жидкости, вытекающее в единицу времени, обратно пропорционально дли­не трубки и прямо пропорционально четвертой степени радиуса. Формула Пуазейля в современной редакции выглядит следующим образом:

где - коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость); Р – давление, при котором происходило истечение жидкости; - время истечения жидкости в объёме V, L – длина капилляра; r – радиус капилляра.

Единицей динамической вязкости является сила, необходимая для поддержания разности скоростей, равной 1 м/с, между двумя параллель­ными слоями жидкости площадью 1 м² находящимися друг от друга на расстояний 1м, т.е. единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является

Н с/м² или Па с.

Единица динамической вязкости, выраженная в физической системе измерения СГС, в честь Пуазейля называется Пуазом, т.е. за единицу ди­намической вязкости принимают сопротивление, которое оказывает жид­кость при относительном перемещении двух ее слоев площадью 1 см², от­стоящих друг от друга на 1 см, под влиянием внешней силы в 1 дн при скорости перемещения в 1см 1с. Динамическую вязкость при температуре t обозначают _t.

Приближенное совпадение численного значения динамической вяз­кости воды при 20°С с 1 сантиПуазом (сП) дало повод Бингаму предло­жить построить систему единиц - вязкости, в которой исходной единицей является динамическая вязкость воды при 20°С, принимаемая по Бингаму за 1 сП (точнее ₂₀ воды равна 1,0087 сП). Таким образом, для большинст­ва практических измерений с достаточной точностью можно считать, что ₂₀ воды соответствует 1 сП. Это представляет большое удобство в практи­ческой вискозиметрии, для которой большое значение имеют жидкости с постоянными физико - химическими константами, имеющие точно извест­ную вязкость при данной температуре. Из числа относительных обозначе­ний наибольшим распространением пользуется так называемая удельная вязкость, показывающая, во сколько раз динамическая вязкость, данной жидкости больше или меньше динамической вязкости воды при какой - то условно выбранной температуре. Таким образом, удельная вязкость пред­ставляет собой отвлеченное число.

Величина, обратная динамической вязкости, носит название текуче­сти и обозначается знаком T.

Жидкости, подчиняющиеся линейному закону течения Ньютона, на­зываются ньютоновскими, представляют индивидуальные вещества либо молекулярно - дисперсные смеси или растворы, внутреннее трение (вяз­кость) которых при данных температуре и давлении является постоянным физическим свойством. Вязкость не зависит от условий определения и скорости перемещения частиц (течения), если не создается условий для турбулентного движения.

Однако для коллоидных растворов внутреннее трение значительно изменяется при различных условиях потока, в частности при изменении скорости течения. Аномальное внутреннее трение коллоидных систем принято называть структурной вязкостью. В этом случае частицами, ко­торые перемещаются относительно друг друга в потоке, являются не моле­кулы, как в нормальных жидкостях, а коллоидные мицеллы, способные дробиться и деформироваться при увеличении скорости или изменении ус­ловий потока, в результате чего измеряемое внутреннее трение уменьша­ется (либо, наоборот, увеличивается). Большинство жидких нефтепродук­тов не выявляет признаков структурной вязкости в широком температур­ном интервале. Хотя они и представляют собой относительно сложные, ас­социированные жидкости, они не обладают коллоидной структурой, при­знаки которой обнаруживаются для жидких нефтепродуктов .лишь при низких температурах, приближающихся к температурам потери текучести.

В зависимости от температуры, при которой происходит перекачка, одна и та же жидкость может быть и ньютоновской в области высоких температур и неньютоновской в области низких температур. Неньютонов­ские жидкости могут быть разделены на пластичные, псевдопластнчные и дилатантные.

В пластических жидкостях наряду с вязкостью проявляются так же пластические свойства, заключающиеся в наличии некоторого предельного напряжения сдвига ₀, после достижения, которого только и возникает «те­кучесть» среды. Поведение пластических жидкостей объясняется наличи­ем в них пространственной структуры, достаточно прочной, чтобы сопро­тивляться любому напряжению, не превосходящему ₀. Если напряжение превышает ₀, то структура полностью разрушается и жидкость выдает се­бя как обычная ньютоновская, при напряжении, равном (=₀). Течение пластичных жидкостей подчиняется уравнению Шведова – Бенгама

Это уравнение после почленного деления на dv/dR можно предста­вить в виде

₀=+₀ (1.11)

где ₀ - эффективная или кажущаяся вязкость; - истинная вяз­кость; ₀ - структурная составляющая эффективная вязкость.

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают начального напря­жения сдвига и для жидкостей справедлива независимость вида

(1.12)

где k и n — постоянные величины для данной жидкости. Характер­ным для псевдопластичных жидкостей является то, что n всегда меньше единицы.

Дилатантные жидкости, сходны с псевдопластическими тем, что в них тоже нет начального напряжения сдвига. Течение этих жидкостей так­же подчиняется степенному закону (1.12), но показатель n превышает еди­ницу.

У многих жидкостей зависимость между напряжением и градиен­том скорости изменяется во времени и поэтому не может быть выра­жена простыми формулами.

Жидкости, обладающие свойством, изотермического самопроизволь­ного увеличения прочности структуры во времени и восстановления структуры после ее разрушения, называются парафинистые нефти. При технических расчетах, а также при контроле качества нефтей и нефтепро­дуктов широкое распространение получил коэффициент кинематиче­ской вязкости, который представляет собой отношение коэффициента ди­намической вязкости к плотности жидкости при той же температуре

(1.13)

В физической системе единиц широкое применение имеет единица кинематической вязкости в см²/с (Стокc - Ст.) и мм²/с (сантиСтокс - сСт). Таким образом, 1 Cm представляет собой вязкость жидкости, плотность которой равна 1г/1мл и сила сопротивления которой взаимному перемеще­нию двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см один от другого и перемещающихся один относительна другого со скоростью 1 см/с, равна 1 дн.

Вязкость нефтей и нефтепродуктов зависит от температуры, увеличиваясь с ее понижением. Для выражения зависимости вязкости от температуры предложено много различных формул. Наибольшее примене­ние для практических расчетов подучила формула Рейнольдса - Филонова

, (1.14)

(1.15)

где U - коэффициент крутизны вискограммы, 1/К; v*,v - кинематическая вязкость при известной температуре Т_ж и при температуре Т; е - основание натурального логарифма.

Для нахождения коэффициента крутизны вискограммы для данного продукта достаточно знать значения вязкостей при двух температурах Т₁ и Т₂

Динамическая и кинематическая вязкости - это вполне определен­ные физические характеристики, которые, как и все другие величины, вы­ражены в абсолютных единицах и могут быть подставлены в те или другие расчетные формулы. В случаях, когда вязкость применяется не как расчет­ная величина, а как практическая характеристика нефтепродукта, ее при­нято выражать не в абсолютных, а в относительных, или условных, едини­цах.

Подобный способ выражения вязкости является результатом непра­вильного представления о том, что определение динамической и кинема­тической вязкостей отличается сложностью, и применения на практике упрощённых технических приборов, дающих показания в условных единицах вязкости. Неудобство всех условных, или относительных, единиц вязкости заключается в том, что вязкость, выраженная в этих единицах, не пред­ставляет собой физической характеристики нефтепродукта, так как она за­висит от способа определения, конструкции прибора и других условий. Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользу­ется так называемая удельная вязкость.

В различных странах в зависимости от выбора стандартных аппара­тов для определения условной вязкости приняты различные условные еди­ницы вязкости. Для пересчета в абсолютные единицы существуют эмпи­рические формулы; однако все эти формулы носят лишь приближенный характер, а некоторые из них просто неточны. Поэтому, если необходимо определить вязкость нефтепродукта в абсолютных единицах, следует оп­ределять ее непосредственно и только в крайних случаях прибегать к пере­счету. Условную вязкость выражают условными единицами: градусами или секундами. Эти единицы обычно представляют собой либо отношение времени истечения определенного объема исследуемого продукта при данной температуре ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости при определенно установленной температуре, либо просто время истечения определенного объема испытуемой жидкости.

Как сказано выше, вязкость характеризует свойство данной жидко­сти оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Такое сопротивление наблюдается как при движении жидкости относительно какого-либо тела, так и при движении какого-либо тела в жидкости. Оба эти случая дают принципиальную возможность из­мерения вязкости различными способами. Наиболее удобным способом измерения вязкости при движении жидкости относительно твердого тела является наблюдение над истечением исследуемых жидкостей из капил­лярных трубок. Для расчета пользуются формулой Пуазейля. Для расчета значений вязкости при движении каких-либо тел в жидкости может быть применен ряд формул, в которых учитываются характер движения и форма движущегося тела. Из этих формул наибольшее значение имеет приводи­мая ниже формула Стокса для расчета вязкости по скорости падения твер­дого шарика в жидкости. Способы измерения вязкости, основанные на ис­течении жидкости из капиллярных трубок, широко распространены. На­против, способы, построенные на принципе движения твердого тела опре­деленной формы в вязкой жидкости, применяются сравнительно редко вследствие того, что даже для тел простейшей формы соответствующие уравнения движения получаются очень сложными. Эти способы находят себе применение преимущественно в тех случаях, когда способы, основан­ные на втором принципе, т.е. на истечении жидкости из капилляров, прак­тически неприменимы вследствие экспериментальных трудностей.

Вязкость нефти изменяется в широких пределах и зависит от ее со­става, количества растворенного газа, примесей в некоторой степени, от давления, температуры, увеличиваясь с ее понижением.

Пересчет вязкости с одной температуры на другую связан с некото­рыми особенностями и на практике иногда сопровождается ошибками. В справочной литературе обычно приводятся сведения о вязкости нефтей при весьма ограниченных условиях и значениях температур. Чаще всего это температуры 20 и 50°С или 50 или 100°С. Нахождение коэффициента крутизны вискограммы позволяет определить вязкость только н интервале за­данных температур. А вот интерполяция результатов вне заданных интерва­лов недопустима, особенно для высоковязких и парафинистых нефтей. С уменьшением температуры ошибка расчетов может составлять 200-300%, а в ряде случаев расчет может быть связан с абсурдным результатом, по­скольку многие нефти теряют текучесть при достаточно высоких темпера­турах 20-25°С.

Характеристики

Список файлов реферата