Исследование особенностей граничного трения ротационным вискозиметром

Из рис.4 видно, что в области малых градиентов давления p < 0,5 МПа/м величина отношения <vэ>/p с увеличением давления растет и лишь при градиентах (p > 0,5 МПа/м) c повышением давления практически не изменяется. При этом экспериментальная скорость истечения жидкости <vэ> меньше расчетной <vп>, а при больших перепадах давления становится равной ей.

1.2.3 Обсуждение результатов и модель «жесткого, срезаемого» пристенного слоя.

Наблюдаемый характер зависимости <vэ>/p = f(p) объясняется существованием в прослойке пристенных слоев толщиной 2ds. Их наличие приводит к тому, что реальное проходное сечение зазора s, по которому протекает жидкость, меньше, чем геометрическое S=bD (рис.3). С ростом приложенного давления и соответственно скорости течения равновесная толщина слоя на каждой из подложек уменьшается и, начиная с какого–то значительного перепада давления, проходное сечение зазора совпадает с геометрическим.

Поэтому для расчета параметров слоя рассмотрим его простейшую реологическую модель: на поверхностях обеих пластин, ограничивающих зазор, существует неподвижный (гидродинамически «жесткий») слой, периферийная часть которого “срезается” течением (рис.3). При постепенном увеличении скорости течения (за счет повышения перепада давления DP) толщина пристенного слоя убывает вплоть до нуля.

В такой модели, в соответствии с (1), рассматриваемая величина отношения <vэ>/p может быть представлена в виде:

, (3)

что позволяет по полученным экспериментальным зависимостям <vэ>/p = f(p) рассчитать как начальную толщину слоя d0s (ее значение при p = 0), так и ее текущее значение – величину ds в функции градиента давления или возрастающей с ним скорости течения жидкости <vэ>.

Рассчитанные таким образом значения толщины ds «жесткого, срезаемого» слоя в зависимости от средней линейной скорости <vэ> течения жидкости в данном зазоре для каждой из трех серий экспериментов приведены на рис.5. В принятой модели пристенного слоя для количественного описания явления его «срезания» течением зависимость ds = f(<vэ>) аппроксимировалась функцией:

. (4)

Здесь d0s (мкм) – толщина пристенного слоя при отсутствии течения, (<vэ>) – средняя (по сечению зазора) линейная скорость течения жидкости, v0 (мм/с) – параметр, характеризующий «жесткость» слоя, его способность к «срезанию» течением. Значения параметров d0s и v0 аппроксимирующей зависимости (4) приведены в табл.2.

Рис.5. Зависимость толщины пристенного слоя ds масла МРХ-30 (Т = 394 К) на стальной подложке в модели «жесткого, срезаемого течением слоя» от средней (по сечению) линейной скорости течения жидкости <vэ> в зазоре. Обозначения те же, что и на рис.4. Сплошная линия – аппроксимация D1 = 39,7 мкм (·) функцией (4)

Таблица.2

Реологические характеристики пристенного слоя масла МРХ-30 (Т = 294 К) на поверхности стали в модели гидродинамически «жесткого, срезаемого слоя»

Как следует из рис.5 и табл.2, при отсутствии течения пристенный слой масла МРХ-30 на стальной подложке имеет толщину d0s » 3 мкм. «Прочность» слоя на «срезание» сравнительно невелика – уже при скоростях течения <vэ> = v0 ~ 2 мм/с толщина слоя ds~ 1 мкм, а при <vэ> ~ 10 мм/с ничтожно мала. Рассчитанная величина d0s близка, но несколько меньше значений равновесной толщины ЭЖК слоя (d0s » 7 ¸ 9 мкм) алифатических углеводородов и масел, полученных в оптических измерениях [2].

Расхождение с результатами таких измерений по толщине d0s можно объяснить несовершенством модели слоя, принятой для расчетов этого его параметра. В частности, не в пользу модели гидродинамически неподвижного слоя, о его «не жесткости» свидетельствует то, что даже при наименьших зазорах в наших измерениях не было отмечено предельного напряжения сдвига.

По-видимому, модель ЭЖК слоя, участвующего в течении жидкости, более адекватно может описать его реологические свойства. Для развития такой модели представляется необходимым одновременно с вискозиметрическим опытом проведение независимого измерения (оптическими или иными способами) структурных характеристик (толщины, однородности и др.) ЭЖК слоя прослойки при ее течении.

2 Исследование особенности граничного трения ротационным вискозиметром

В настоящей работе в исследованиях был использован разработанный и сконструированный в лаборатории эпитропных жидких кристаллов Одесского Национального Университета ротационный вискозиметр, предназначенный для исследования Куэтовского течения в тонких (5 ¸ 50 мкм) однородных и неоднородных (с приповерхностными структурированными слоями) жидких прослойках.

Для прямых измерений вязкости тонких прослоек смазочных жидкостей между стальными подложками в приборе применялась в качестве рабочей цилиндрической пары вискозиметра стандартный узел топливной аппаратуры - распылитель форсунки, что позволило исследовать вязкость прослоек масла и топлива толщиной до 6 мкм. Схема установки представлена на рис.1. Измерения на приборе проводились методом задания постоянной скорости W (от 3 до 200 об/мин) вращения наружного цилиндра - корпуса форсунки (Rн ~ 3×10-3 м). Набор штоков форсунки - сменных внутренних цилиндров различных диаметров позволял изменять толщину прослойки жидкости до 20 мкм. Пределы измерения коэффициента вязкости составляли h= 5×10-3 ¸1 Па×сек, изменения скорости деформации - e = 50 ¸ 4×103 с-1. Измерителем крутящего момента в вискозиметре является бифилярный подвес 5 (рис.1) с регулируемой чувствительностью. Вращение наружного цилиндра в точно обработанной цилиндрической поверхности корпуса 10, играющего роль подшипника скольжения, обеспечивается реверсивным асинхронным двигателем 3 с редуктором и ременными передачами. Соосность цилиндрической пары и натяжение подвеса обеспечивается системой грузов (калиброванных по массе дисков), располагаемых на цанговом держателе внутреннего цилиндра - штока форсунки. Число устанавливаемых дисков определяет чувствительность бифилярного подвеса к крутящему моменту трения. Прецизионная регулировка чувствительности измерителя крутящего момента обеспечивается изменением длины нитей подвеса. Поверхности деталей, входящие в контакт с исследуемой жидкостью, перед сборкой вискозиметра очищались от механических и органических загрязнений путем промывки растворителями (бензин высокой очистки и эфир) и просушивались. Исследуемые жидкости отстаивались и фильтровались. После заполнения вискозиметра исследуемой жидкостью при различных фиксированных угловых скоростях вращения внешнего цилиндра (в диапазоне = 102 ¸ 104 рад/с) проводились измерения угла поворота j внутреннего цилиндра. Разброс отсчетов угла в пределах серии измерений был ~ 1%, однако, воспроизводимость последовательных серий достигала 10%, что связано, по-видимому, с возможным попаданием в зазор отдельных частиц твердых примесей. Режимы течения во всех проведенных опытах были ламинарными (Re<<1). «Объемная» вязкость исследовавшихся жидкостей измерялась стандартными капиллярными вискозиметрами.

 Скачать реферат