粘度概述
流體在流動時,在其分子間產生內摩擦的性質,稱為流體的黏性,粘性的大小用黏度表示,是用來表征流體性
質相關的阻力因
條件粘度
由於粘性的耗能作用,在無外界能量補充的情況下,運動的流體將逐漸停止下來。粘性對物體表面附近的流體運動產生重要作用使流速逐層減小並在物面上為零,在一定條件下也可使流體脫離物體表面(見邊界層)。
又稱黏性係數、動力粘度,記為μ。牛頓黏性定律指出,在純剪下流動中相鄰兩流體層之間的剪應力(或粘性摩擦應力)為式中dv/dy為垂直流動方向的法向速度梯度。黏度數值上等於單位速度梯度下流體所受的剪應力。速度梯度也表示流體運動中的角變形率,故黏度也表示剪應力與角變形率之間比值關係。
按國際單位制,黏度的單位為帕·秒。有時也用泊或厘泊(1泊=10-1帕·秒,1厘泊=10-2泊)。英文表示式Pa·s(帕·秒)或mPa·s(毫泊·秒)。
物理解釋
以氣體為例,說明粘性形成的原因。氣體分子的速度是由平均速度和熱運動速度兩部分疊加而成。前者是氣體團的巨觀速度,後者決定氣體的溫度。若相鄰兩部分氣體團以不同的巨觀速度運動,由於它們之間有許多分子相互交換,從而帶來動量的交換,使氣體團的速度有平均化的趨勢,這便是氣體粘性的由來。根據這種圖像,利用統計物理中的玻爾茲曼方程,可以求得氣體粘性係數的表達式:式中k為玻耳茲曼常數;m為分子質量;C為分子作用力的比例常數。以上公式說明,粘性係數與氣體密度無關,與溫度成正比。這兩條結論都得到了實驗證實。液體的分子運動論還未成熟,目前還沒有建立類似於氣體分子運動論的簡單物理圖像,用來說明產生液體粘性的機制。
對於氣體,
薩瑟蘭公式式中B≈110.4開;T0、μ0為參考溫度和參考粘性係數。
圍內(T<2000開)對空氣是適用的。但由於上式較複雜,在實用上多採用冪次公式。
係數測量
利用各種實驗方法可以確定不同溫度下流體的粘性係數。例如,在兩個半徑不同的同軸圓筒之間,充滿待測粘度的流體。當外筒鏇轉時,最貼近外筒壁的流體也能以相同的速度運動,由於粘性的作用,裡面的圓筒也隨之運動。由於裡面的圓筒懸掛在上端固定的金屬絲上,所以它在鏇轉到一定角度後就停止轉動。若測出金屬絲的扭轉角度,就可以算出扭力矩。因平衡時扭力矩與液體剪下力所形成的力矩相等,所以可求出剪下力和流體粘性係數的大小。另外一種方法是求出一定量體積的流體,在給定壓力作用下從一個細管中流盡所需的時間,從而求出其粘性係數。
定義
粘度的定義為一對平行板,面積為A,相距dr,板間充以某液體。今對上板施加一推力F,使其產生一速度變化du。由於液體的粘性將此力層層傳遞,各層液體也相應運動,形成一速度梯度du/dr,稱剪下速率,以r′表示。F/A稱為剪下應力,以τ表示。剪下速率與剪下應力間具有如下關係:
(F/A)=η(du/dr),
此比例係數η即被定義為液體的剪下粘度(另有拉伸粘度,剪下粘度平時使用較多,一般不加區別簡稱粘度時多指剪下粘度),故η=(F/A)/(du/dr)=τ/r′。
將兩塊面積為1㎡的板浸於液體中,兩板距離為1米,若在某一塊板上加1N的切應力,使兩板之間的相對速率為1m/s,則此液體的粘度為1Pa·s。
牛頓流體:符合牛頓公式的流體。 粘度只與溫度有關,與切變速率無關, τ與D為正比關係。 非牛頓流體:不符合牛頓公式τ/D=f(D),以ηa表示一定(τ/D)下的粘度,稱表觀粘度。
粘度隨溫度的不同而有顯著變化,但通常隨壓力的不同發生的變化較小。液體粘度隨著溫度升高而減小,氣體粘度則隨溫度升高而增大。對於溶液,常用相對粘度μr表示溶液粘度μ和溶劑粘度μ之比,即:
相對粘度與濃度C的關係可表示為:
μr=1+【μ】C+K′【μ】C+…
式中【μ】為溶液的特性粘度,
K′為係數。【μ】、K′均與濃度無關。
不同流體的粘度差別很大。在壓強為101.325kPa、溫度為20℃的條件下,空氣、水和甘油的動力粘度和運動粘度為:
空氣 μ=17.9×10^-6Pa·s, v=14.8×10^-6m²/s
水 μ=1.01×10^-3Pa·s, v=1.01×10^-6m²/s
甘油 μ=1.499Pa·s, v=1.19×10^-3m²/s
由於粘度的作用,使物體在流體中運動時受到摩擦阻力和壓差阻力,造成機械能的損耗(見流動阻力)。
各種流體的粘度數據,主要由實驗測得。常用的粘度計有毛細管式、落球式、錐板式、轉筒式等。在工業上有時用特定形式的粘度計來測定特定的條件粘度。如煉油工業中常用恩氏粘度(或恩格拉粘度)作為石油產品的一個指標,它表示某一溫度下200cm油品與同體積20℃純水,從恩氏粘度計中流出所需時間之比。恩氏粘度與動力粘度的關係可按經驗公式換算。又如橡膠工業中常用門尼粘度為衡量橡膠平均分子量及可塑性的一個指標。
在缺少粘度實驗數據時,可按理論公式或經驗公式估算粘度。對於壓力不太高的氣體,估算結果較準;對於液體則較差。對非均相流體(如低濃度懸浮液)的粘度,可以用愛因斯坦公式估算:
式中μm為懸浮液的粘度;μ為連續相液體的粘度;φ為懸浮液中分散相的體積分數;μd為分散相粘度。當分散相為固體顆粒時,μd→∞,;當分散相為氣泡時,μd→0,μm=(1+φ)μ。
粘度是流體粘滯性的一種量度,是流體流動力對其內部摩擦現象的一種表示。粘度大表現內摩擦力大,分子量越大,碳氫結合越多,這種力量也越大。 粘度對各種潤滑油、質量鑑別和確定用途,及各種燃料用油的燃燒性能及用度等有決定意義。在同樣餾出溫度下,以烷烴為主要組份的石油產品粘度低,而粘溫性較好,即粘度指數較高,也就是粘度隨溫度變化而改變的幅度較小;含環烷烴(或芳烴)組份較多的油品粘度較高,即粘溫性較差;含膠質和芳烴較多油品粘度最高,粘溫性最差,即粘度指數最低。 粘度常用運動粘度表示,單位mm²/s。重質燃料油粘度大,經預熱使運動粘度達到18~20mm²/s(40℃),有利於噴油嘴均勻噴油。
單位換算表
動力粘度單位換算
1厘泊(1cP)=1毫帕斯卡·秒 (1mPa·s)
100厘泊(100cP)=1泊 (1P)
1000毫帕斯卡·秒 (1000mPa·s)=1帕斯卡·秒 (1Pa·s)
1000微 帕斯卡·秒(1000μ Pa.s)=1毫帕斯卡·秒 (1mPa·s)
動力粘度與運動粘度的換算
η=ν·ρ
式中η--- 試樣動力粘度(mPa·s)
ν--- 試樣運動粘度(mm²/s)
ρ--- 與測量運動粘度相同溫度下試樣的密度(g/cm³)
測定標準
YDN-2000型全自動運動粘度測定儀適用於GB265-88 ,GB1814,ASTM D445、IP71等標準;採用先進的單片機控制、彩色大螢幕中文提示操作,測定結果自動存儲、高速熱敏印表機自動列印結果,恆溫浴溫度均勻, 可同時安放四支粘度及進行實驗,還可作為高粘度恆溫水浴進行其它實驗。
a、主要特點:
* 先進的單片機控制,智慧型控溫,彩色大螢幕液晶顯示,中文選單提示輸入
* 適時顯示儀器的溫度、時間、參數等工作狀態,
* 20升恆溫浴缸,外層為有機玻璃保溫罩,浴內溫度分布均勻,控溫效果好。
* 二支或者四支粘度計安裝孔可同時對兩種以上油樣進行平行試驗
* 毛細管計卡採用三點垂直式,操作靈活方便,夾持可靠。
* 自動計算運動粘度值與測試平均值,並自動列印和存儲測定結果
* 檢測準確,顯示直觀,自動計時,自動計算,自動列印結果。
*可採用烏氏粘度計或者坎農芬斯克粘度計對透明及不透明的牛頓運動粘體進行運動粘度參數測試,降低勞 動強度,提高工作效率。
*機器全自動清洗毛細管,不需要再移動恆溫槽內地粘度計,減少玻璃管破損,給工作造成不便。
b、主要技術指標:
執行標準 | GB265-88 、GB1814、ASTM D445、IP71等 |
毛細管粘度計 | 符合SH/T0173-92《玻璃毛細管粘度計技術條件》 符合JJG155《工作毛細管粘度計檢定規程》 |
顯示方式 | 5寸彩色液晶屏顯示 |
控溫範圍 | 室溫~150℃任意設定; |
測定範圍 | 運動粘度測定範圍:0.5~20000mm2/s; 動力粘度測定范:0.3~40000mPa.s |
控溫精度 | ±0.1℃ |
計時精度 | ±0.1S |
計時範圍 | 0.1秒-999.9秒 |
恆溫浴缸 | 300×300mm雙層 |
印表機 | 低能耗熱敏印表機,紙寬55mm |
測溫元件 | 進口精密鉑電阻 |
攪拌速度 | 1520轉/分 |
最大功率 | 1800W |
裝樣數量 | 4個 |
使用環境 | 環境溫度15--35℃環境濕度小於85% |
電源要求 | 220V ac±10%50Hz±1Hz |
最大尺寸 | 560*370*520(長*寬*高) |
儀器質量 | 20Kg |
SCYN1301型運動粘度自動測定儀,可用於測定
液體石油產品(指牛頓液體)的運動粘度、動力粘度和烏氏粘度,該儀器採用彩色中文液晶顯示,觸控螢幕控制,採用模糊控溫方式,德國進口感溫元件,控溫準確、精度高,自動精確計時,自動計算運動粘度值和動力粘度值,自動列印並存儲測定結果.
c、符合標準:
SY/T5651-93《石油產品運動粘度試驗器技術條件》
GB/T265-1988《石油產品運動粘度測定法和動力粘度計算法》
GB1660-1982《增塑劑運動粘度的測定法(品氏法)》
GB 1841-1980 《聚烯烴樹脂稀溶液粘度試驗方法》
毛細管粘度計:符合SH/T0173-92《玻璃毛細管粘度計技術條件》;
符合JJG155《工作毛細管粘度計檢定規程》;
d、主要技術指標:
顯示方式 | 5吋彩色LCD,中文選單,觸控螢幕控制 |
運動粘度測定範圍 | 0.5~20000mm/s |
動力粘度測定範圍 | 0.3~40000mPa.s |
控溫範圍 | 室溫~150℃(如果設定溫度在100℃以上時,在介質中加添加劑) |
控溫精度 | ±0.01℃ |
計時精度 | ±0.01s |
浴缸容積 | 20L雙層水浴缸 |
加熱功率 | 主加熱1000W,附助加熱800W |
攪拌轉速 | 1300轉/分 |
實驗孔數 | 2OR4孔 |
印表機 | 高速低噪聲熱敏微型印表機,紙寬58mm |
年月日時間 | 自動實時跟蹤日期 |
實驗數據存儲 | 掉電存儲數據,可存儲256個歷史記錄 |
工作電源 | 220V±10%; 50HZ |
環境溫度 | 5~45℃,相對濕度<80% |
外型尺寸 | 400*450*650mm。 |
其他概念
實驗室測定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肅葉公式導出有關粘滯係數的表達式,求得粘滯係數。粘度的大小取決於液體的性質與溫度,溫度升高,粘度將迅速減小。因此,要測定粘度,必須準確地控制溫度的變化才有意義。粘度參數的測定,對於預測產品生產過程的工藝控制、輸送性以及產品在使用時的操作性,具有重要的指導價值,在印刷、醫藥、石油、汽車等諸多行業有著重要的意義。
1845年,英國數學家、物理學家斯托克斯(G.G.Stokes,1819-1903)和法國的納維(C.L.M.H.Navier)等人分別推導出粘滯流體力學中最基本的方程組,即納維-斯托克斯方程,奠定了傳統流體力學的基礎。
1851年,斯托克斯推導出固體球體在粘性介質中作緩慢運動時所受的阻力的計算公式,得出在給定力(重力)的作用下,阻力與流速、粘滯係數成比例,即關於阻力的斯托斯公式。
納維-斯托克斯方程是數學中最為難解的非線性方程中的一類,尋求它的精確解是非常困難的事。直至今天,大約也只有70多個精確解,只有大約一百多個特解被解出來,是最複雜的、尚未被完全解決的世界級數學難題之一。