Вискозитет

Вискозитетът описва вътрешното съпротивление на флуида срещу относителното движение на съседни слоеве. Той определя преноса на импулс между слоевете и дисипацията на механична енергия.

Динамичен вискозитет и срязване

u(y)du/dyF
Съседни слоеве с различни скорости обменят импулс; при нютонов флуид срязващото напрежение е линейно пропорционално на градиента на скоростта.

За нютонов флуид τ = η du/dy. Динамичният вискозитет η се измерва в Pa s. Кинематичният вискозитет е ν = η/ρ в m² s⁻¹. Двете величини не трябва да се смесват.

Ламинарен поток в тръба

v₍max₎v → 0
При ламинарен поток в кръгла тръба профилът на скоростта е параболичен: максимум в центъра и почти нула при стената.

За установен ламинарен поток на нютонов флуид през твърда кръгла тръба законът на Поазьой е Q = πΔp r⁴/(8ηL). Четвъртата степен на радиуса означава, че малка промяна на r силно изменя дебита. Предполага се ламинарен режим и нулева скорост на стената.

При фиксиран Q по-голям η или по-малък r изисква по-голям пад на налягане. Вискозното триене превръща механична енергия във вътрешна енергия, затова реалният поток не е напълно обратим.

Защо радиусът на тръбата е толкова важен

При постоянни Δp, L и η важи Q ∝ r⁴. Множител R на радиуса дава множител R⁴ на дебита.

1.00×

Вискозно съпротивление при малко число на Рейнолдс

За малка сфера в достатъчно бавен пълзящ поток законът на Стокс дава Fd = 6πηrv. Съпротивлението е пропорционално на v. Падаща сфера може да достигне крайна скорост, когато тежест, плаваемост и вискозно съпротивление се балансират.

Числото на Рейнолдс Re = ρvD/η сравнява инерционни и вискозни ефекти. Малко Re означава гладък, доминиран от вискозитета поток. Преходът към турбулентност зависи от геометрията и смущенията и няма един универсален праг.

Температурата изменя вискозитета

При повечето течности вискозитетът намалява с повишаване на температурата. При газовете обикновено нараства, защото по-бързите молекули пренасят импулс по-ефективно между слоевете. Вискозитетът е транспортно свойство, не просто „гъстота“.

Не всички флуиди са нютонови

При ненютонов флуид връзката между срязващото напрежение и скоростта на срязване не се описва с една константа η. Кетчупът и някои полимерни разтвори могат да изтъняват при срязване, а концентрирани суспензии да се сгъстяват. Поазьой и Стокс се използват само когато предпоставките им са изпълнени.

Решени примери

1. Срязващо напрежение

η = 0,80 Pa s и du/dy = 3,0 s⁻¹. Намерете τ.

Решение

τ = 0,80 × 3,0 = 2,4 Pa.

2. Двоен радиус

Радиусът се удвоява при поток на Поазьой, а останалото е постоянно. С какъв фактор се изменя Q?

Решение

Q ∝ r⁴, следователно факторът е 2⁴ = 16.

3. Съпротивление на Стокс

Сфера с радиус 1,0 mm се движи с 0,020 m s⁻¹ във флуид с η = 0,50 Pa s. Намерете Fd.

Решение

Fd ≈ 1,88 × 10⁻⁴ N.

Силната зависимост r⁴ в закона на Поазьой важи само при неговите предпоставки. Турбулентност, голямо число на Рейнолдс, деформируеми тръби или ненютонов флуид могат съществено да изменят профила и връзката между налягане и дебит.

Динамичният вискозитет η описва преноса на импулс, а кинематичният ν включва и плътността. Два флуида могат да имат еднакво η, но различно ν, ако плътностите им са различни.

Разгледайте връзките: Всички курсове · Елементи