Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях

Проведен анализ поведения вязких сжимаемых жидкостей под высоким давлением. Выявлены недостатки в определении основных физических характеристик вязких жидкостей и их смесей. Предложена методика определения пьезокоэффициента вязкости для различных жидкостей, а также их смесей под высоким давлением. T...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Физика и техника высоких давлений
Дата:2008
Автор: Косинский, В.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2008
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70409
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях / В.В. Косинский // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 93-100. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859824560066527232
author Косинский, В.В.
author_facet Косинский, В.В.
citation_txt Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях / В.В. Косинский // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 93-100. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Физика и техника высоких давлений
description Проведен анализ поведения вязких сжимаемых жидкостей под высоким давлением. Выявлены недостатки в определении основных физических характеристик вязких жидкостей и их смесей. Предложена методика определения пьезокоэффициента вязкости для различных жидкостей, а также их смесей под высоким давлением. The behaviour of viscous compressed liquids under high pressure has been analysed. Drawbacks in definition of the basic physical characteristics of viscous liquids and their mixtures have been revealed. A method is proposed to define piezocoefficient of viscosity for various liquids and their mixtures under high pressure.
first_indexed 2025-12-07T15:27:34Z
format Article
fulltext Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 93 PACS: 62.10.+s В.В. Косинский ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЬЕЗОКОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ИХ СМЕСЕЙ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ Запорожская государственная инженерная академия Статья поступила в редакцию 2 ноября 2007 года Проведен анализ поведения вязких сжимаемых жидкостей под высоким давлением. Выявлены недостатки в определении основных физических характеристик вязких жидкостей и их смесей. Предложена методика определения пьезокоэффициента вязкости для различных жидкостей, а также их смесей под высоким давлением. Введение С развитием различных областей техники все большее распространение получают технологии, связанные с изостатикой. Характерными примерами являются процессы экструзии различных профилей из тугоплавких металлов и сплавов, изостатического формования изделий из карбидных, нитридных, оксидных и других соединений, а также композиционных материалов, изго- товление изделий с особыми свойствами методом пропитки под давлением пористых матриц вязкими инфильтратами и т.д. [1]. Во всех подобных технологических процессах используются давления «ра- бочих» жидкостей от нескольких десятков до нескольких тысяч мегапаскалей. Все без исключения жидкие среды с повышением давления сжимаются, т.е. уменьшаются в объеме, увеличивая свою вязкость и плотность. Рост вязкости у подавляющего большинства жидкостей происходит по закону [2]: 0eCPμ = μ , (1) где μ0 − динамическая вязкость жидкости при атмосферном давлении и тем- пературе Т = 20°C; P − давление, Pa; C − пьезокоэффициент вязкости жидко- сти, Pa–1. Изменение плотности жидкости ρ с увеличением давления P описывается зависимостью [3]: 0 1 ln b P а b +⎛ ⎞ρ = ρ +⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (2) где a и b – коэффициенты уравнения сжимаемости Тэйта. Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 94 Таблица 1 Физические параметры жидкостей Параметры Глицерин Касторовое масло Пьезокоэффициент вязкости C, Pa−1 0.58·10−8 0.13·10−7 Коэффициенты уравнения Тэйта, Pa a b 0.117 425·106 0.104 266·106 С изменением плотности сжимаемой жидкости изменяется и ее вязкость. Как правило, при давлениях несколько сотен мегапаскалей вязкость масел воз- растает на один, а то и на два порядка, в то время как изменение плотности ис- числяется несколькими процентами. Рассмотрим эти изменения на примере двух жидкостей − глицерина и касторового масла (табл. 1). Подставляя данные табл. 1 в уравнения (1) и (2), определяем, что под дав- лением 500 MPa вязкость μ глицерина увеличится в 18.2 раза, а касторового масла − в 665 раз. Изменение плотности ρ составит соответственно 9.1 и 11%. Анализируя эти изменения физических свойств масел, необходимо от- метить, что при давлениях 500 MPa и более их уже с большей уверенностью можно относить к «твердым» телам. Значительное загустение жидкостей с увеличением давления ведет к не- желательным последствиям: эти жидкости теряют текучесть в аппаратах и установках высокого давления, создаются опасные перепады давлений на переходных участках, так как нарушается закон Паскаля. Во избежание это- го используются снижающие вязкость «рабочих» жидкостей добавки: спир- ты, керосин, вода, фторорганические и другие соединения [4]. Из всего вышесказанного и проведенных автором исследований [3] мож- но заключить, что в процессах, связанных с пропиткой пористых тел под давлением, увеличение плотности жидкости особого значения не имеет, а вот повышение ее вязкости с ростом давления является важной технологи- ческой характеристикой. Знание законов изменения вязкости в зависимости от величины давления для различных жидкостей и их смесей позволяет пра- вильно выбрать оборудование определенной мощности, а также повысить качество получаемых изделий. Процесс классического определения изменения вязкости жидкостей с ростом давления требует специального дорогостоящего оборудования и ап- паратуры [5]. В связи с этим очень незначительно число жидкостей, у кото- рых определена зависимость изменения вязкости с ростом давления (т.е. пьезокоэффициент вязкости C). К ним относят ряд технических масел, спир- тов, глицерин, воду и некоторые другие жидкости. Еще меньше данных о пьезокоэффициентах вязкости смесей различных жидкостей [6]. Постановка и решение задачи Часто для понижения вязкости приходится используемые жидкости (масла) разбавлять керосином, спиртом и т.д. При этом нужную степень разбавления можно установить, зная пьезокоэффициент вязкости «новой» жидкости. Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 95 Автором был предложен и опробован метод определения пьезокоэффици- ента вязкости для различных жидкостей и их смесей под высоким давлением. Метод является косвенным и заключается в следующем: при достаточно бы- стром (≈ 0.1 s) сбросе давления (в гидростате) пористые тела, пропитанные жидкостью, разрушаются [7]. Глубина разрушения соответствует длине зоны действия gradPcr, образованной перепадом давления при истечении исследуе- мой жидкости из пористого тела. В последствии, рассчитав gradPcr, можно получить и всю зависимость распределения давления исследуемой жидкости по глубине всего пористого тела, а далее методом половинчатого деления оп- ределить соответствующий пьезокоэффициент вязкости C. Остановимся более подробно на сущности описываемого метода. Глуби- на зоны разрушения зависит от ряда технологических и физических факто- ров, связанных со свойствами используемых жидкостей и пористых тел, а также оборудования [7]. К технологическим относятся скорость подъема давления в гидростате до определенной величины, выдержка (по времени) под максимальным давле- нием и быстрый (желательно доли секунды) сброс давления в гидростате от максимального значения до 0. Физические факторы включают: начальную вязкость используемой жид- кости μ0; коэффициент проницаемости течения жидкости через используе- мое пористое тело kp; механические свойства пористого тела σt, Еp, σc; его пористость, %; коэффициенты сжимаемости жидкости Тэйта a и b. Для определения пьезокоэффициента вязкости любой жидкости выполня- ем необходимые расчеты. Устанавливаем физические и прочностные свойства используемого по- ристого тела: пределы прочности материала при одноосном растяжении σt и при сжатии σc, kg/mm2; модуль упругости пористого тела Еp, kg/mm2; по- ристость в долях единицы. Оценку прочности структурно-неоднородных пористых и трещиноватых тел, к числу которых относится и пористая керамика, производим по критерию Писаренко−Лебедева [8]: χσi + (1 − χ)σ1 = σt, (3) где χ = σt/σc − коэффициент неравномерной работы на растяжение и сжатие; σi − интенсивность напряжений; σ1 − наибольшее главное напряжение. Применяем температурную аналогию (жидкость под давлением в пористом теле создает напряженное состояние, аналогичное температурному воздейст- вию), предложенную Г.П. Черепановым [9]. Если выполняется закон Дарси, то в задачах теории фильтрации внутренние напряжения в упругом скелете опи- сываются обычными уравнениями теории упругости с объемной силой, равной gradP, и рассчитываются посредством классической теории термоупругости: grad grad 1 2 pЕP T α = − ν , (4) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 96 где P – давление фильтрующейся жидкости в порах, kg/mm2; α − коэффици- ент температурного расширения, K−1; Т – температура, °C; ν − коэффициент Пуассона. Решая термоупругую задачу по определению напряженно-деформирован- ного состояния с учетом критерия прочности (3) и известных физических и прочностных характеристик пористого тела, рассчитываем gradTcr (при ко- тором наступает разрушение), а следовательно, и gradРcr (по аналогии с уравнением (2)). Постановка задачи и механизм разрушения пористых тел вязкими сжи- маемыми жидкостями при высоких давлениях подробно рассмотрены в ра- боте [10]. На сегодняшний день существует достаточно много программных ком- плексов по численному решению задач термоупругости. В данной работе gradPcr и напряженно-деформированное состояние исследуемого пористого тела находили методом конечных элементов (МКЭ) [11]. Проведем определение физических данных используемой в работе смеси жидкостей. Начальную вязкость μ0 жидкости или смеси при атмосферном давлении и комнатной температуре находим в справочной литературе или определяем на вискозиметре. Вычисляем значения коэффициентов сжимаемости a и b с помощью уравнения Тэйта [12]: 1 1 0 2 2 0 ln , ln , V b P a V b V b P a V b Δ += Δ += (5) где 1VΔ и 2VΔ – изменения объема исследуемой жидкости при давлениях соответственно P1 = 300 и Р2 = 500 MPa; V0 – начальный объем исследуемой жидкости. Используя методику, отработанную во ВНИИМетМаш им. А.И. Целикова [13], определяем сжимаемость жидкости /V VΔ на прессе усилием 200 t в контейнере высокого (до 1500 MPa) давления с габаритами: внутренний диаметр – 55 mm, общая длина – 350 mm. Далее переходим к нахождению искомого пьезокоэффициента C жидкости с помощью математической модели пропитки пористых тел вязкими сжимаемы- ми жидкостями. В процессе пропитки распределение давления любой жидко- сти по глубине пропитываемого пористого тела описывается уравнением 0 1 ln 1 ln 1 ln p СP a b P akb P P Pb P ba b P b t x xea b ⎧ ⎫⎛ ⎞ +⎛ ⎞+⎜ ⎟⎪ ⎪ ⎜ ⎟+ ∂ ∂ ∂⎪ ⎪+ ⎛ ⎞⎝ ⎠ + =⎨ ⎬ ⎜ ⎟⎜ ⎟+ ∂ μ ∂ ∂⎝ ⎠⎪ ⎪ ⎜ ⎟− ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎪ ⎪⎩ ⎭ . (6) Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 97 Решая это уравнение, можно с достаточной точностью рассчитать истинное давление жидкости в пористом теле на любой его глубине и, исходя из этого, обратным пересчетом вычислить искомый пьезокоэффициент вязкости C. Исходя из потребностей новых технологий, автором был предложен ме- тод определения давления вязких сжимаемых жидкостей в пористом теле на любой его глубине. Сущность и основные положения данного метода под- робно описаны в работах [3,10]. Точность данных предложенной математической модели (6), отражающей сущность процессов пропитки пористых тел вязкими жидкостями, сжимае- мыми под высоким давлением, проверяли при различных технологических параметрах на различных по физическим свойствам жидкостях [5,14]. Одна- ко для исследований выбрали глицерин и касторовое масло, исходя из сле- дующих соображений. Эти жидкости недороги, легко доступны, негорючи и невзрывоопасны. Они обладают текучестью при высоком давлении, т.е. не «затвердевают» при давлениях > 1100 MPa. Существует значительная раз- ница в значениях μ и C этих жидкостей: μgl = 1.48 Pa·s; μc.o = 0.99 Pa·s; Cgl = = 0.58·10−8 Pa−1; Cc.o = 0.13·10−7 Pa−1. Методика экспериментов для выявления точности данных математиче- ской модели (6) состояла в следующем. Образец помещали в гидростат, за- полненный глицерином или касторовым маслом, и подвергали обработке: поднимали давление жидкости в гидростате с определенной скоростью υ до величины Pmax; выдерживали в течение tp.r под давлением Pmax; быстро сбрасывали давление в гидростате от максимального Pmax до 0. При проведении исследований варьировались 2 величины: максимальное давление жидкости в гидростате (Pmax = 300; 400 и 500 MPa) и время вы- держки образца в гидростате (tp.r = 30; 45 и 60 s) под давлением Pmax. Скорость подъема давления в гидростате (υ = 25 MPa/s) и время его сбро- са от Pmax до 0 (trel ≤ 0.1 s) были величинами постоянными для всех экспе- риментов. Объяснялось это техническими характеристиками используемого оборудования. Изменение gradP жидкости в пористом теле при сбросе давления отсле- живали в течение 0.5 s и определяли длину зон пористого тела L, на которой выполнялось условие gradP ≥ gradРcr (для исследуемой керамики gradРcr = = 41 MPa/mm – величина, характеризующая ее прочностные свойства). Заранее следует отметить, что желательно использовать образцы с пористостью 15−40%, величина пор может колебаться от нескольких микрон до десятых до- лей миллиметра. Для более точного и удобного определения длины зон разру- шения требуется, чтобы образцы находились по периметру в жесткой оболочке (металл, жесткая пластмасса, фарфор и т.п.) и в поперечном сечении имели простую геометрическую форму (круга, квадрата или прямоугольника). GradРcr – величина, с которой начиналось разрушение исследуемой в работе [14] порис- той (30%) керамики на основе SiO2. Контроль глубины зон разрушения в по- ристом теле осуществляли визуально (по длине зоны разрушения L). Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 98 Таблица 2 Разрушение образцов, подвергнутых пропитке жидкостями при высоких давлениях Величина зон разрушения в рассчитанных при условии gradP ≥ gradPcr образцах, mm Время выдержки под давлением Pmax, s Давление жидкости Pmax, MPa 30 45 60 30 45 60 Жидкая среда − глицерин 300 4−5 4−5 4−5 4 4.1 4.2 400 7−8 7−8 8 7 7.3 7.5 500 8−9 9−10 10−11 9.5 10.4 11.3 Жидкая среда − касторовое масло 300 4−5 5−6 5−7 5.1 6 6.6 400 6−7 6−7 7−9 5.9 7.1 8.2 500 6−7 8−9 8−10 7.4 8.2 8.9 Соответствие данных модели и экспериментальных результатов проверяли путем сопоставления длин зон разрушения экспериментальных образцов и зон, рассчитанных по модели (6), в которых выполнялось условие gradP ≥ gradРcr. На каждый эксперимент приходилось по 3 образца. Данные заносили в табл. 2. Сравнивая данные табл. 2 по длине зоны разрушения образцов, нужно отметить, что при давлении Pmax ≤ 300 MPa, а также при минимальном вре- мени выдержки (tp.r = 30 s) разница в длине зон разрушения отсутствует. От- личие начинает проявляться либо с повышением Pmax до 400 и 500 MPa, ли- бо с увеличением tp.r до 45 и 60 s под этим давлением, либо с одновремен- ным увеличением этих параметров. Констатируем, что чем больше значения Pmax и tp.r, тем точнее результа- ты, отражающие физическую сущность процесса пропитки. Сравнение результатов относительного изменения величин реальной зо- ны разрушения к моделируемой Θ (табл. 3) позволяет отметить, что с увели- чением давления и времени выдержки значение Θ постепенно уменьшается. Таблица 3 Относительное разрушение образцов, подвергнутых пропитке жидкостями при высоких давлениях Относительное изменение величины реальной зоны разрушения к моделируемой Θ, % Время выдержки, s Давление жидкости Pmax, MPa 30 45 60 Среднее значение Θ, % Жидкая среда − глицерин 300 11.1 8.9 6.7 8.9 400 6.7 2.7 6.2 5.2 500 11.7 9.5 8.6 9.8 Жидкая среда − касторовое масло 300 13.3 9.1 10 10.8 400 9.2 9.2 9.3 9.2 500 13.8 3.5 1.1 6.1 Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 99 Анализируя среднее значение Θ, отмечаем, что чем больше давление жидкости Pmax и время выдержки tp.r под этим давлением, тем меньше рас- хождения между расчетными (на основании модели (6)) и эксперименталь- ными значениями. Из этого вытекает, что для получения более точных ре- зультатов при исследовании поведения вязких сжимаемых жидкостей под высоким давлением необходимо экспериментировать, как минимум, при P ≥ ≥ 300 MPa и максимально возможной длительности выдержки по времени (tp.r ≥ 60 s). Анализируя литературные источники [4,13,15], можно отметить, что от- клонения от истинных значений в результатах исследований по определе- нию изменения вязкости жидкостей, а также их смесей под высоким давле- нием считаются приемлемыми для расчетов, если эти отклонения составля- ют не более 10%. Проведенные исследования и предложенная автором математическая мо- дель (6) пропитки пористых сред вязкими жидкостями, сжимаемыми под вы- соким давлением, свидетельствуют, что погрешность результатов при давле- ниях Pmax ~ 300 MPa и выдержке по времени tp.r ≥ 60 s составляет ~ 11%, при Pmax ~ 400 MPa – 9%, а при Pmax ~ 500 MPa – 7%. С применением предложен- ных рекомендаций можно достичь еще большей точности результатов. Выводы Определение пьезокоэффициентов вязкости различных жидкостей и их смесей с использованием предложенной модели, учитывающей уровень дав- ления и время пропитки, позволяет получить расчетные результаты с откло- нением от экспериментальных не более 10%. 1. Л.И. Тучинский, Композиционные материалы, получаемые методом пропитки, Металлургия, Москва (1986). 2. Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд, Свойства газов и жидкостей, Химия, Ленин- град (1982). 3. В.В. Коссинский, в сб.: Металлургия, Тр. Запорожской государственной инже- нерной академии, вып. 8, 75 (2003). 4. Гидропластическая обработка металлов, К.Н. Богоявленский, А.Г. Рябинин (ред.), Машиностроение, Ленинград (1988). 5. Е.В. Золотых, Ю.Т. Бухаров, Д.Т. Кузнецов, Исследования в области высоких давлений, Комитет стандартов мер и измерительных приборов, Москва (1969), вып. 104. 6. Л.В. Прозоров, А.А. Костава, В.Д. Ревов, Прессование металлов жидкостью вы- сокого давления, Машиностроение, Москва (1972). 7. В.В. Косинский, В.Ф. Коссинский, в сб.: Физика и техника высоких давлений, вып. 34, 90 (1990). 8. Г.С. Писаренко, А.А. Лебедев, Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии, Наукова думка, Киев (1976). 9. Г.П. Черепанов, Механика хрупкого разрушения, Наука, Москва (1974). Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 1 100 10. В.В. Коссинский, Проблемы прочности № 4, 69 (1991). 11. Вычислительные методы в механике разрушения, С. Атлури (ред.), Мир, Моск- ва (1990). 12. Д.С. Циклис, Техника физико-химических исследований при высоких и сверх- высоких давлениях, Химия, Москва (1976). 13. Совместные работы по созданию и освоению технологии и оснастки для гид- родинамического удаления пористых стержней турбинных лопаток: Отчет о НИР (заключительный), ВНИИМетМаш, Москва (1985). 14. В.В. Косинский, Л.Ю. Максимов и др., А.с. № 1384335, Бюл. № 12, 1988 г. 15. С.С. Кутателадзе, И.М. Борошанский, Справочник по теплопередаче, Госэнер- гоиздат, Ленинград−Москва (1959). V.V. Kosinsky DEFINITION OF VISCOSITY PIEZOCOEFFICIENT FOR DIFFERENT LIQUIDS AND THEIR MIXTURES UNDER HIGH PRESSURES The behaviour of viscous compressed liquids under high pressure has been analysed. Drawbacks in definition of the basic physical characteristics of viscous liquids and their mixtures have been revealed. A method is proposed to define piezocoefficient of viscosity for various liquids and their mixtures under high pressure.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70409
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0868-5924
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:27:34Z
publishDate 2008
publisher Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
record_format dspace
spelling Косинский, В.В.
2014-11-04T15:27:19Z
2014-11-04T15:27:19Z
2008
Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях / В.В. Косинский // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 1. — С. 93-100. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
0868-5924
PACS: 62.10.+s
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70409
Проведен анализ поведения вязких сжимаемых жидкостей под высоким давлением. Выявлены недостатки в определении основных физических характеристик вязких жидкостей и их смесей. Предложена методика определения пьезокоэффициента вязкости для различных жидкостей, а также их смесей под высоким давлением.
The behaviour of viscous compressed liquids under high pressure has been analysed. Drawbacks in definition of the basic physical characteristics of viscous liquids and their mixtures have been revealed. A method is proposed to define piezocoefficient of viscosity for various liquids and their mixtures under high pressure.
ru
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
Физика и техника высоких давлений
Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
Визначення п’єзокоефіцієнта в’язкості різних рідин і їх сумішей при високих тисках
Definition of viscosity piezocoefficient for different liquids and their mixtures under high pressures
Article
published earlier
spellingShingle Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
Косинский, В.В.
title Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
title_alt Визначення п’єзокоефіцієнта в’язкості різних рідин і їх сумішей при високих тисках
Definition of viscosity piezocoefficient for different liquids and their mixtures under high pressures
title_full Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
title_fullStr Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
title_full_unstemmed Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
title_short Определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
title_sort определение пьезокоэффициента вязкости различных жидкостей и их смесей при высоких давлениях
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70409
work_keys_str_mv AT kosinskiivv opredeleniepʹezokoéfficientavâzkostirazličnyhžidkosteiiihsmeseiprivysokihdavleniâh
AT kosinskiivv viznačennâpêzokoefícíêntavâzkostíríznihrídinííhsumíšeiprivisokihtiskah
AT kosinskiivv definitionofviscositypiezocoefficientfordifferentliquidsandtheirmixturesunderhighpressures