ИССЛЕДОВАНИЕ  ВЯЗКОСТИ  ЖИДКОСТИ  В  ЗАВИСИМОСТИ  ОТ  РАЗМЕРА  И  КОНЦЕНТРАЦИИ  НЕРАСТВОРЯЮЩИХСЯ  ТВЕРДЫХ  ЧАСТИЦ

Белаков  Николай  Андреевич

студент  кафедры  ММ  СТИ  НИТУ  МИСиС,  РФ,  г.  Старый  Оскол

E-mail: 

Тимофеева  Анна  Стефановна

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  каф.  ММ  СТИ  НИТУ  МИСиС,  РФ

г.  Старый  Оскол

Цель  данной  работы:  выяснить  влияние  нерастворимых  твердых  частиц  различного  гранулометрического  состава  и  его  содержания  на  вязкость  жидкости.

Очень  важно  в  различных  отраслях  производства  знать  какую  долю  оказывает  на  изменение  вязкости  твердые  нерастворяющиеся  в  жидкости  частицы:  это  и  в  медицине  для  использования  различного  вида  суспензий,  и  в  строительстве  для  использования  строительных  материалов  в  начальном  виде  в  виде  суспензий,  которые  затем  отвердевают  и  превращаются  в  строительный  материал,  и  в  металлургии  —  при  выплавке  стали,  когда  имеются  в  жидкой  стали  неметаллические  включения,  влияющие  на  ход  разливки  ее  ,  и  при  очистке  любой  жидкости  от  нерастворимых  включений  и  т.  д.  Сопротивление  жидкости  движущемуся  в  нём  телу  в  значительной  мере  обусловливается  именно  наличием  вязкости. 

В  данной  работе  исследовали  влияние  твердых  включений  на  вязкость  жидкости.  При  выполнении  работы  использовали  песок  (в  качестве  твердых  включений)  и  глицерин  (в  качестве  жидкости).  В  истирателе  был  перемолот  песок  до  фракций  :  0,005  мм,  0,0063  мм  и  0,016  мм. 

Для  определения  плотности  песка  измерили  массу  каждой  фракции  и  нашли  объем,  по  величине  массы  и  объема  определили  плотность  песка  различной  фракции.

В  качестве  жидкости  использовали  водный  глицерин  содержанием  85  %. 

Для  определения  вязкости  глицерина  использовали  сконструированный  вискозиметр  Энглера  (рис.  1). 

Рисунок  1.  Визкозиметр  Энглера

Принцип  действия  такого  вискозиметра  также  основан  на  определении  времени  на  истечение  200  см³  исследуемой  среды  через  отверстие,  диаметром  6  мм.

Основными  составными  частями  вискозиметра  являются  (рис.  1):  термостат  1,  емкость  для  водяной  бани  2,  кран  3,  соосные  стальные  цилиндры  4,  мензурка  5,  термометры  6,7  и  9,  соединительные  гибкие  стальные  шланги  8.

С  помощью  термометра  9,  расположенного  на  термостате  1,  необходимо  установить  температуру,  соответствующую  проведению  эксперимента.  Под  крышкой  емкости  2  расположен  насос,  который  при  включении  прибора  в  сеть  начинает  работать,  в  результате  чего  вода,  находящая  в  емкости  2  циркулирует  по  соединительным  стальным  шлангам  8  в  зазор  между  цилиндрами  4  и  обратно,  обеспечивая  при  этом  постоянство  температуры  во  время  измерений.  Исследуемая  среда,  помещенная  во  внутренний  цилиндр  в  течение  10—15  минут  прогревается  до  заданной  термометром  9  температуры.  Перед  проведением  измерений  при  помощи  термометров  6  и  7  измеряют  температуру  водяной  бани  и  самой  среды  непосредственно.  Температура  бани  устанавливается  в  соответствии  с  заданной  температурой  исследуемой  жидкости.  По  достижении  заданной  температуры  исследуемого  материала  проводится  измерение  времени  истечения  исследуемой  среды,  подачу  среды  при  этом  контролируют  краном  3.  Проводится  измерение  не  менее  3  раз  для  каждой  жидкости  при  одной  температуре. 

Методика  измерения  вязкости  жидкости  и  суспензий

1.Подготовка  жидкости  и  суспензий  к  измерению  коэффициента  вязкости. 

1.1  Для  измерения  необходимо  подготовить  400грамм  глицерина.

1.2.Песок  различной  фракции  по  200грамм

1.3.  В  данной  работе  будет  применяться  песчаная  суспензия.  Для  получения  суспензии  при  измерении  вязкости  на  используемом  на  данном  вискозиметре  в  400  мл  дистиллированной  воды  постепенно  добавлять  в  процентном  соотношении  по  массе  0,1  %,  1  %,  2  %,  3  %,  4  %,  5  %,  6  %  песка  каждый  раз  в  чистый  водный  глицерин  меняя  фракции  песка,  размешивая  при  этом  получившуюся  суспензию.  После  того,  как  весь  песок  для  одного  измерения  будет  засыпан,  необходимо  перемешивать  полученную  суспензию  до  однородной  массы  с  помощью  мешалки.  Измерения  проводить  не  менее  3  раз  с  одной  и  той  же  суспензией,  после  чего  значение  времени  усредняют.  Затем,  время  переводят  в  единицы  вязкости.

2.Изначально  необходимо  определить  время  истечения  200  см³  дистиллированной  воды  при  20  °С.  Для  этого  необходимо:

2.1.Налить  емкость  2  до  краев  водой.

2.2.Предварительно  убедившись,  что  кран  5  закрыт,  налить  дистиллированную  воду  в  объеме  400  см³  во  внутренний  цилиндр  прибора.

2.3.Включить  прибор  в  сеть.

2.4.Выставить  температуру  воды  в  термостате,  соответствующую  температуре  20  ⁰С  дистиллированной  воды,  с  помощью  термометра  9. 

2.5.  Измерения  начинать  при  установлении  заданной  температуры  исследуемого  вещества. 

2.6.Одновременно  открыть  кран  5  и  включить  секундомер,  засечь  время  на  истечение  200  см³  исследуемой  среды.  Произвести  не  менее  3  замеров.

2.7.  Рассчитать  среднее  значение  времени  истечения  дистиллированной  воды.

3.Затем  можно  начинать  измерения  для  песчаных  суспензий  при  одной  и  той  же  температуре.  Для  этого  проделывают  пункты  1.1—1.7.

4.Обработка  результатов  эксперимента 

4.1.Для  исследуемой  жидкости  или  суспензии  определить  градус  Энглера  по  формуле 

Е°  =  .

4.2.Коэффициент  кинематической  вязкости  по  формуле 

ν  =  ^-4  м²/с.

4.3Плотность  исследуемой  среды  определяется  по  формуле 

ρ  =  ,  кг/м³;

4.Коэффициент  динамической  вязкости 

μ  =    ν,  Па  ·  с,

Погрешность  измерений  составила  не  более  4  %.  В  результате  экспериментов  были  получены  результаты,  которые  представлены  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Влияние  содержания  песка  на  вязкость  глицерина

Проведение  измерений  проводилось  с  одной  и  той  же  фракций  и  ее  содержанием  не  менее  3  раз,  при  этом  каждый  раз  просчитывались  усредненные  значения  искомых  величин.  При  использовании  песка  фракцией  0,005мм  и  0,016мм  вязкость  жидкости  при  увеличении  концентрации  растет  и  можно  описать  уравнениями  линий  тренда,  представленных  на  рисунке  2.  Но  при  значении  диаметра  песчинок  0,063мм  динамический  коэффициент  вязкости  изменяется,  не  увеличивается,  а  незначительно  уменьшается,  причем  коэффициент  корреляции  уравнения  —  это  степенная  функция  с  коэффициентом  детерминации  равным  0,974  —  достаточно  высоким.  Значит,  для  данной  жидкости  (глицерина)  и  песка,  представленных  фракций  существует  гранулометрический  состав  песка,  который  не  особо  влияет  на  вязкость:  в  данном  случае  это  0,063  мм.  Можно  предположить,  что  мелкие  частицы  песка,  менее  0,063  мм  распределяются  по  объему  глицерина,  мешая  направленному  движению  выливающейся  струи  глицерина,  увеличивая  сопротивлении  при  любой  из  испытанных  концентраций.  При  увеличении  фракции  песка  до  определенной  величины  (в  нашем  случае  0,063  мм)  песчинка  уже  как  бы  является  разделителем  слоев  жидкости,  истекающей  из  визкозиметра  и  при  этом  она  помогает  разорвать  слои  жидкости,  уменьшая  при  этом  вязкость  ее.  При  увеличении  диаметра  песчинок  создается  дополнительное  сопротивление  движению  глицерина  со  стороны  песчинок,  в  связи  с  тем,  что  песчинки  уже  имеют  достаточную  массу  и  размеры  относительно  предыдущего  опыта,  что  повышает  в  целом  вязкость  глицерина.

Для  обобщения  влияния  концентрации  и  размера  твердых  нерастворяющихся  частиц  в  жидкости,  необходимо  провести  еще  серию  экспериментов  с  различными  жидкостями  и  различными  видами  твердых  нерастворяющихся  частиц.