Диагностика свойств жидкости на границах раздела гетерогенных сред

А ктуальность:

Знание поверхностных свойств жидкостей необходимо во многих отраслях промышленности: в химической технологии, в нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в хроматографии и фармакологии при приготовлении различных лекарств.

Долгое время считалось, что в ньютоновской жидкости отсутствует напряжение начального сдвига. Только в последнее время появились работы, в которых упоминалось о существовании напряжения начального сдвига у всех жидкостей, включая ньютоновские [1−6].

Наличие начального напряжения сдвига и прилипание жидкости к твердым стенкам существенно отличают реальную жидкость от идеальной. Некоторые жидкости, особенно важные в практическом отношении, например вода, глицерин и масло, во многих случаях можно считать ньютоновскими жидкостями. Начальное напряжение сдвига в них в общем и целом остается малым и сказывается лишь на начальном этапе движения жидкости.

В соответствиии с представлениями Ребиндера [7], все жидкости по форме зависимости их вязкости от напряжения сдвига могут быть разделены на истинно вязкие и структурированные. Для истинно вязких или ньютоновских жидкостей характерно постоянство вязкости при всех значениях напряжений. У структурированных, неньютоновских жидкостей, имеются две области напряжений с постоянными значениями вязкости. В одной из них, где структура практически не разрушена, вязкость имеет наибольшее значениев другой, где структура разрушена полностью, вязкость имеет наименьшее значение. В промежуточной области вязкость плавно меняется от максимальной до минимальной величины. Вода долгое время относилась к ньютоновским жидкостям. Только в результате использования фильтрационных вискозиметров с малым размером капилляров было обнаружено неподчинение воды закону Ньютона при малых значениях напряжения сдвига [8].

В настоящей работе рассматриваются реальные жидкости, и проводится исследование начальных напряжений сдвига, коэффициента поверхностного натяжения и вязкого трения для различных жидкостей. Данные исследования актуальны в различных областях науки, особенно при изучении поверхностных свойств мембран клеток, соприкасающихся с кровью, лимфойпри исследовании пористых структур, а также при изучении свойств структурированных жидкостей на основе нефти.

Диссертация посвящена разработке методов экспериментального исследования поверхностных свойств жидкости, в частности поверхностного натяжения, напряжения начального сдвига, вязкости и построению соответствующих математических моделей.

Цель работы.

Основной целью работы являлось разработка экспериментальных методик для изучения свойств жидкости на границах раздела. Для достижения этой цели требовалось разработать экспериментальные установки для определения напряжения начального сдвига, коэффициента поверхностного натяжения, вязкости и исследовать с их помощью некоторые специфические жидкости, такие как кровь, масло рапс, трансформаторное масло, анилин. При этом ставились следующие задачи:

1. Разработка методов измерения напряжения начального сдвига и изготовление соответствующего экспериментального стенда.

2. Разработка методов измерения поверхностного натяжения и изготовление соответствующих экспериментальных установок.

3. Усовершенствование метода измерения вязкости крови с использованием вискозиметра Гесса.

4. Теоретическая оценка поверхностных свойств жидкости.

5. Экспериментальная оценка размера щели в датчике статического давления, на основе измерения капиллярного смачивания.

Практическая значимость.

1. Разработан новый метод и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий измерить начальное напряжение сдвига жидкости.

2. Разработана методика и изготовлена экспериментальная установка для измерения поверхностного натяжения жидкостей на границе раздела гетерогенных сред.

3. Предложена усовершенствованная методика измерения относительной вязкости крови с помощью вискозиметра Гесса.

4. Изготовлен и апробирован датчик статического давления в потоках неизвестной направленности.

Научная новизна работы.

1. Впервые прямыми измерениями получены численные значения касательного напряжения сдвига у воды, спирта, глицерина.

2. Уточнена формула Лапласа для высоты капиллярного поднятия жидкости с учетом силы трения.

3. Предложена модель для теоретической оценки величины коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

4. Впервые выявлено влияние трения жидкой пленки на измеренные значения относительной вязкости в двухтрубчатых вискозиметрах.

Основные положения, представляемые к защите.

1. Новый метод измерения касательного напряжения сдвига.

2. Новый метод измерения поверхностного натяжения жидкостей.

3. Усовершенствованный метод измерения относительной вязкости крови с использованием вискозиметра Гесса.

Экспериментальный стенд, включающий установки по измерению поверхностного натяжения и напряжения начального сдвига. Теоретическая оценка величины поверхностного натяжения, описанного потенциалом Леннарда-Джонса с учетом парного взаимодействия молекул.

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ.

ВЫВОД.

При проведении экспериментов по определению вязкости жидкости использовался вискозиметр Гесса, но с учетом трения жидкой пленки исследуемых жидкостей. Были созданы одинаковые условия течения жидкостей в капиллярах. Полученные данные, приведенные в таблице 3.14, свидетельствуют о том, что наличие одинаковых менисков изменяет величину вязкости исследуемой жидкости.

3.3.2. Анализ ошибок измерения.

Определение вязкости производилось с помощью вискозиметра Гесса. Систематическая ошибка по определению пройденного пути жидкостью составила ±-0,5 мм. Анализируя полученные данные по определению вязкости, (таблица 3.14), можно отметить, что относительная случайная ошибка не превышала 12%. Полная погрешность измерения составляла 12,6%.

При проведении экспериментов психрометром, с точностью ± 0,1°С фиксировалась температура и влажность воздуха.

ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ.

4.1. Оценка геометрии конструкции датчика статического давления с использованием коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

В экспериментах по переносу тепла и массы в зернистых средах одной из важных задач является определение доли поверхности зерна недоступной для тепломассопереноса. Эти места недоступные для тепломассопереноса образуются вблизи точек контакта элементов зернистого слоя. Чем больше площадь непродуваемой части зерен, тем менее эффективно работают аппараты тепломассообмена с использованием зернистых слоев.

С другой стороны не менее актуальной задачей является измерение статической составляющей давления в зернистом слое. Если для потоков в трубах и каналах направление потока можно предсказать заранее, то измерение статической составляющей давления произвести достаточно просто. При этом достаточно измерить давление трубкой Прандтля при разных положениях относительно потока. К сожалению, для зернистых сред направление потока заранее неизвестно. Поэтому вращением трубки Прандтля невозможно отделить статическую составляющую давления от динамической. Поэтому является весьма заманчивым использование застойных зон, образующихся в местах контакта зернистого слоя, для измерения статической составляющей давления. Для этого трубка Прандтля выполняется в виде элементов зернистого слоя, сквозь которые пропущена тонкая полая игла. Эксперименты показали, что такая видоизмененная трубка Прандтля позволяет измерять статическую составляющую давления, вплоть до чисел Рейнольдса в несколько тысяч.

Так как непротекание жидкости в местах контакта зернистого слоя связано с силами адгезии жидкости к поверхности и в конечном счете зависит от энергии поверхностного натяжения, то была сделана попытка найти необходимые размеры щели с учетом капиллярного смачивания в местах контакта зернистого слоя.

Для экспериментальной оценки высоты застойной зоны рассмотрим два шарика радиусом Я, после их погружения в воду. В непосредственной близости контакта между шариками образовывались капиллярные щели (рис. 4.1), в результате стекания воды с поверхности шариков.

Рис. 4.1. Область образования непроточной зоны.

Рассмотрим объем жидкости ABC в виде конусного капилляра радиуса г и высотой h. Условие равновесия жидкости в таком капилляре можно приближенно записать [76, 99]: 2(7.

РФ -— (4.1) где гэ — эквивалентный радиус конусного капилляра, рассчитанный по формуле (4.2):

2V г =—, (4.2) э ^.

7W ~ И I? 2 где V = ——-объем конуса ABC', S = лг{г + V/?" + г) — площадь конуса.

Выразим г — радиус конуса через толщину застойной зоны h: и подставив г в (4.2), а затем в (4.1) получим выражение для оценки толщины застойной зоны:

Зо.

РФ.

Я-^Я2-к2 +^к2 + {я~-у]Я2 -к2^ [я~^я2-к2)г к* Я, при г <�Я при г > К.

4.4).

Справедливость формулы (4.4), может быть проверена сопоставлением значений толщины объема жидкости, рассчитанных по этой формуле и измеренных непосредственно, с использованием шариков различного радиуса, а также сравнением с зависимостью, приведенной в работе АэроваМ.Э., Тодеса О. М. [100]: к ^ 2-ЯЯе-0'5-(Рг)-0'42, (4.5) где Яе — число Рейнольдса, Рг — число Прандтля.

Измерения проводились следующим образом. Два шарика одного и того же радиуса, закрепление между собой погружались в воду. После погружения устанавливались перед измерительной шкалой с точностью ±0.5 мм, и измерялась толщина объема жидкости. На рис. 4.2 представлены результаты оценки толщины застойной зоны. й, Л.

Рис. 4.2 Зависимость толщины застойной зоны от радиуса шариков.

Линии 1, 4 (рис. 4.2), построенные по формуле (4.5) для чисел Яе=10 и 0.3, соответственно резко отличаются от линий 2 (построенной по экспериментальным данным) и 3 (построенной по формуле (4.4)). Линии 2 и 3 (рис. 4.2) построены при условии, что скорость потока 11о = 0, в отличии от линий 1, 4, полученных при условии, что и0 ^ 0. Сопоставление линий 2 и 3 (рис. 4.2) свидетельствует об удовлетворительной сходимости экспериментальных и расчетных данных в пределах 10%, что дает основание использовать формулу (4.4) для оценочных данных толщины объема жидкости. Линии на рис. 4.3 построены по методу наименьших квадратов (МНК).

Данные расчеты использовались для определения геометрии размеров щели в датчике статического давления (рис. 4.3) [101, 102, 103]. Датчик статического давления содержит полую трубку 1 диаметром 0.8 мм, на трубку плотно насажано не менее двух шариков 2 радиуса 3 мм, в области касания которых в трубке прорезана щель 3 шириной и глубиной 0.3 мм [104]. Эксперименты по измерению скорости жидкости внутри зернистого слоя выявили что, вблизи точек соприкосновения шариков жидкость практически не движется [105]. Оказалось, что геометрия непроточной зоны может быть экспериментально оценена из условия задержки стекания жидкости с поверхности шариков после их погружения в воду [101, 103, 105, 106]. 3.

Рис. 4.3. Датчик статического давления внутри зернистого слоя.

1-сталъная игла, 2-шарики, 3-прорезъ.

Подставим конкретные значения параметров в соотношение (4.4): р = 10 кг/м — плотность жидкостиЯ = 1,5−10″ м — радиус шарикад = 9,81 м/с" - ускорение свободного паденияа = 7,25−10″ Н/м — коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре 20 °C.

Для стеклянных шариков диаметром 3−10″ м по формуле (4.4) оценена толщина объема жидкости, которая составляет Ь=1,5−10″ м.

Полученные выше размеры области жидкости, остающейся неподвижной вблизи точек касания шариков, близки к экспериментальным значениям, измеренным лазерно-доплеровским анемометром (ЛДА), которым определялась область с непроточной жидкостью в местах касания элементов зернистого слоя, в которой отсутствует вынужденная конвекция [107].

4.2. Методика и результаты эксперимента.

Предварительные испытания датчиков в пустом канале при ламинарном и турбулентном течении показали, что с их помощью определялась статическая составляющая давления. Испытания проводились следующим образом. Датчик устанавливался в центр канала с потоком и поворачивался вокруг оси. При этом давление, регистрируемое датчиком, не отличалось от давления на стенке канала и не зависело от ориентации щели в датчике к вектору скорости потока жидкости в рабочем диапазоне среднерасходных скоростей от 0 до 0,18 м/с (рис. 4.4). Значения перепада давления между стенкой и датчиком не превышало 0.41 мм. водн. ст. систематической ошибки наклонного манометра J1TA-4.

Re.

О 60 120 180 240 300 360 420 480 540 0.6.

0.4.

0.2 d.

Он" .

— 0.2.

— 0.4.

— 0.6.

О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18.

U0, м/с.

Рис. 4.4. Тарировка датчика статического давления.

На рис. 4.4 показаны средние значения перепада давления по 20 экспериментам (в каждой точке) с абсолютной ошибкой, не превышающей ±0.26 мм. водн. ст.

Предлагаемый датчик статического давления работал следующим образом. Между шариками 2 (рис. 4.3), в месте расположения щели 3 (ри.4.3.), образовывалась зона непроточной жидкости, через щель 3 происходил отбор статического давления, к полой трубке 1 подсоединяется трубка, ведущая к наклонному манометру ЛТА-4, с помощью которого производилось измерение статического давления. Точность измерения предлагаемого датчика статического давления составляла 0.4 мм. водн. ст.

С помощью данного датчика было измерено статическое давление вдоль (рис. 4.5 а) и поперек (рис. 4.5 б) зернистого слоя.

Рис. 4.5 (а). Распределение пристеночного перепада давления по длине упаковки, (б). Распределение давления по сечениям упакованного слоя, отнесенное к полному перепаду давления на всей упаковке.

4.3. Погрешности измерений.

Измерения пристеночного перепада давления проводились на многоканальном жидкостном манометре, при этом систематическая ошибка составляла ± 0.5 мм. водн. ст.- расход жидкости контролировался сильфонным вентилем и ротаметром РМ-5 5 с относительной систематической ошибкой ±2,5% от верхнего предела измерения (по паспорту прибора) — температура контролировалась термопарами, установленными до и после рабочего участка, с точностью ±-0.1°С. Напряжение с термопар измерялось цифровым вольтметром 0,1 ??V 0−1202.010 с внутренним сопротивлением 1ГОмотносительная случайная ошибка экспериментальных данных, представленных на рис. 4.3.1: для чисел Яе = 40, 75 не превышала 10%, а для чисел Яе = 120, 190 не превышала 5%. Таким образом, суммарная случайная и систематическая ошибка не превышала 18%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана методика определения начального напряжения сдвига у жидкостей, основанная на регистрации начального сдвига пластины, полностью погруженной в жидкость и закрепленной в центре тяжести.

2. Впервые из прямых экспериментальных измерений получено напряжение начального сдвига жидкости, граничащей со стеклянной и металлической плоскостями, а также с полиэтиленовыми катетерными трубками.

3. На основе исследования гистерезиса смачивания предложена новая методика определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, заключающаяся в фиксации высоты максимального поднятия жидкости в капилляре и угла оттекания.

4. Уточнен метод измерения вязкости крови на основе вискозиметра Гесса с учетом влияния трения мениска исследуемой жидкости.

5. Проведена теоретическая оценка величины поверхностного натяжения, описанного потенциалом Леннарда-Джонса с учетом парного взаимодействия молекул.

6. Проведена экспериментальная оценка высоты застойной зоны на основании капиллярного поднятия, которая в дальнейшем используется для расчета ширины щели в датчике статического давления.