Płyny newtonowskie (1.1.1) RYS. 1.1

Transkrypt

1 Miniskrypt: Płyny newtonowskie Analizujemy cienką warstwę płynu zawartą pomiędzy dwoma równoległymi płaszczyznami, które są odległe o siebie o Y (rys. 1.1). W warunkach ustalonych następuje ścinanie w wyniku działania przyłożonej siły F. Jest ona równoważona poprzez siłę wewnętrznego tarcia płynu, która jest równa co do wartości sile F lecz ma przeciwny zwrot. W przypadku cieczy newtonowskiej nieściśliwej, w zakresie przepływu laminarnego, naprężenie ścinające jest równe iloczynowi szybkości ścinania i lepkości badanego ośrodka płynnego. Analizując ten przykład szybkość ścinania może być wyrażona jako gradient prędkości w kierunku prostopadłym do działającej siły ścinającej. Można to wyrazić następującym wzorem: (1.1.1) Y RYS. 1.1 Rysunek (1.1) i równanie (1.1.1) przedstawiają najprostszy z możliwych przypadków gdzie wektor prędkości ma tylko jedną składową. Taki układ przepływu możemy uznać za prosty przepływ ścinający. Dla bardziej złożonych przypadków przepływu w trzech wymiarach, konieczne jest użycie odpowiednich równań różniczkowych.

2 Płyny nienewtonowskie Płyny nienewtonowskie to takie, których krzywa płynięcia nie przyjmuje postaci liniowej (zależność naprężenia ścinającego od szybkości ścinania). W przypadku tego typu płynu wartość lepkości pozornej podzielona przez wartość szybkości ścinania nie jest stała dla danej temperatury i ciśnienia lecz jest zależna od szybkości ścinania, geometrii pomiarowej (przepływu), a czasem nawet od sił działających na ten płyn wcześniej. Tego typu płyny można podzielić na trzy główne grupy: Płyny, których szybkość ścinania w dowolnym punkcie zależy wyłącznie od wartości naprężenia ścinającego w tym punkcie w danej chwili. Płyny te są różnie nazywane: time independent, czysto lepkie, nieelastyczne bądź uogólnione ciecze newtonowskie (GNF), Bardziej złożone płyny, w których zależność pomiędzy naprężeniem ścinającym i szybkością ścinania zależy dodatkowo od czasu ścinania i ich historii kinematycznej nazywane są płynami time dependent, Płyny przejawiające właściwości substancji lepkich i sprężystych, które posiadają częściową zdolność odzyskiwania kształtu po ustąpieniu czynnika deformującego. Można je zaliczyć do grupy płynów lepkosprężystych.

3 Należy zaznaczyć, że ten podział jest czysto uznaniowy i wiele z badanych materiałów przejawia często cechy dwóch lub trzech w/w grup płynów. Zazwyczaj możliwe jest jednak wyznaczenie charakterystyki dominującej i wykorzystanie jako podstawy dalszych obliczeń. Badania właściwości reologicznych wodnych roztworów hydrokoloidów z wykorzystaniem reometru kapilarno-rurowego. Wykorzystanie reometru kapilarnego polega na wymuszeniu przepływu badanego płynu przez odpowiednio długie rurki o przekroju kołowym. Dodatkowo wymagana jest odpowiednia gładkość ścianek wewnętrznych. Warunki pracy tego typu reometru muszą być tak dobrane, aby przepływ płynu był laminarny, ustalony oraz izotermiczny. Znając rozmiar kapilary, określa się zależność pomiędzy objętościowym natężeniem płynu, a spadkiem ciśnienia (na długości przewodu) wywołanym tarciem wewnętrznym płynu. Kierując doświadczeniem tak, aby dla różnych wartości natężenia przepływu wyznaczyć odpowiednie wartości spadku ciśnienia, możemy (po wykonaniu odpowiednich obliczeń) wyznaczyć w jednoznaczny sposób krzywą płynięcia. W zależności od zastosowanej średnicy kapilary i szybkości przepływu (ciśnienia) uzyskać można bardzo szeroki zakres pracy przyrządu. Podstawowym warunkiem poprawnego pomiaru jest przepływ laminarny (ustalony) wewnątrz kapilary pomiarowej. Najważniejsze elementy wchodzące w skład instalacji reometru kapilarno rurowego: 1. Zbiornik zasilający 2. Silnik trójfazowy 1,5kW 3. Pompa jednośrubowa (Nova Rotors MN-0221) 4. Odcinek wlotowy 5. I piezoelektryczny czujnik pomiaru ciśnienia (Baumer) 6. Odcinek pomiarowy o długości 4m 7. II piezoelektryczny czujnik pomiaru ciśnienia (Baumer) 8. Odcinek wylotowy 9. Głowica przepływomierza elektromagnetycznego FMG-300 TC (Techmag) 10. Odcinek powrotny 11. Zawory

4 Wykonanie ćwiczenia: 1. Przygotować 30l (3x10l) wodnego roztworu karboksymetylocelulozy lub gumy ksantanowej o stężeniu podanym przez prowadzącego. 2. Przełączyć falownik na sterowanie manualne. 3. Napełnić częściowo zbiornik zasilający (max 20l). 4. Ustawić układ do pracy w obiegu otwartym upewnić się że wylot węża jest we właściwym miejscu! 5. Odpowietrzyć układ tak aby w przezroczystym odcinku przewodu nie były widoczne pęcherze powietrza 6. Uzupełnić poziom płynu w zbiorniku zasilającym i kontynuować odpowietrzanie w obiegu półzamkniętym. 7. Zamknąć zawory odpowietrzające. 8. Przełączyć falownik w tryb sterowania z komputera. Upewnić się że zasilanie czujników ciśnienia, przepływomierza i obrotomierza zostało włączone. 9. Uruchomić program sterujący na komputerze wskazany przez prowadzącego. 10. Wybrać odpowiednie parametry pracy urządzenia i przystąpić do pomiaru 11. Po zakończonym pomiarze odebrać od prowadzącego plik z danymi pomiarowymi. 12. Opróżnić i umyć instalację według instrukcji podanej przez prowadzącego. Obliczenia. Program generuje dwa pliki w formacie TXT. W pierwszym znajdują się dane pomiarowe, w drugim natomiast dane charakteryzujące próbkę i parametry pomiaru. W kolejnych kolumnach znajdują się następująco: indeks, czas od początku pomiaru [s], wartość ciśnienia na czujniku II (!) (bar), wartość ciśnienia na czujniku I (!) (bar), Spadek

5 ciśnienia na odcinku pomiarowym (bar), objętościowe natężenie przepływu (m 3 /s), częstotliwość pracy silnika [Hz], liczba obrotów/min na wale pompy Znając parametry takie jak średnica kapilary (26mm), długość odcinka pomiarowego (412cm), wartość spadku ciśnienia na odcinku pomiarowym, objętościowe natężenie przepływu i gęstość badanego płynu jesteśmy w stanie obliczyć naprężenie ścinające i szybkość ścinania, a także narysować krzywą płynięcia. τ naprężenie ścinające szybkość ścinania P spadek ciśnienia na odcinku pomiarowym d średnica kapilary L długość odcinka pomiarowego masowe natężenie przepływu Dla każdego etapu należy obliczyć wartość szybkości ścinania i naprężenia ścinającego po 15 sekundach od rozpoczęcia etapu i na 5 sekund przed jego zakończeniem.