Реологические свойства жидких сред

К реологическим свойствам жидких сред, определяющим их текучесть, относятся вязкость и предельное напряжение сдвига.

Вязкость – свойство жидкостей оказывать сопротивление их сдвиговому течению. Силы, возникающие при скольжении слоев жидкости относительно друг друга, называются внутренними силами трения, а жидкости, в которых это трение возникает, называются вязкими.

В соответствии с законом Ньютона сила внутреннего трения пропорциональна скорости сдвига жидкости и площади соприкасающихся сдвигаемых слоев:

,

где Т – сила внутреннего трения;

S –площадь соприкасающихся слоев;

m - коэффициент динамической вязкости жидкости;

- градиент скорости сдвига;

U – скорость сдвига.

В результате внутреннего трения в вязкой жидкости возникают касательные напряжения, которые пропорциональны скорости деформации сдвига.

Вязкость можно рассматривать как меру передачи движения частиц жидкости в направлении перпендикулярном скорости их движения.

Коэффициент динамической вязкости жидкости зависит от температуры давления и энергии связи молекул и определяется экспериментальной формулой А.И.Бачинского:

,

где v – удельный объем;

C,w - постоянные.

В табл.1.3 приведены значения коэффициентов динамической вязкости некоторых жидкостей.

Таблица 1.3 - Коэффициенты динамической вязкости некоторых жидкостей

Кинематическим коэффициентом вязкости называют отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:

.

Реологические свойства гетерогенных (неоднородных) систем (суспензии, коллоидные растворы, эмульсии), в частности дисперсных, закону Ньютона не подчиняются. Из-за сцепления элементарных объемов они имеют напряжения сдвига даже при отсутствии движения.

Дисперсные системы

Дисперсные системы со всевозможной комбинацией фаз, различающихся природой и агрегатным состоянием, размером частиц и взаимодействием между ними, характеризует широкий спектр структурно-механических свойств.

Множество различных взаимодействий фаз в суспензиях можно объединить в три основные группы:

· гидродинамическое взаимодействие между жидкостью и диспергированными твердыми частицами, приводящее к увеличению вязкости жидкости;

· межчастичное взаимодействие, способствующее образованию хлопьев, скоплений, агломератов;

· столкновения частиц, вызывающие вязкостные взаимодействия.

Под каждым из таких взаимодействий подразумевается множество факторов, составляющих содержание приведенных выше групп, взаимосвязь которых представлена на рис.1.2.

Рис.1.2. Соотношение групп взаимодействий и факторов, определяющих вязкость суспензии

Реологические свойства суспензий зависят от преобладания того или иного вида взаимодействия.

С ростом меж частичного притяжения вязкость суспензии растет, т.к. частицы дисперсной фазы образуют формулы, скопления, агломераты, что приводит к появлению псевдо пластичного характера течения суспензии.

При более сильном меж частичном притяжении вязкость суспензии растет, прочность флокул увеличивается, и они выдерживают некоторое напряжение сдвига без разрушения. Суспензия в данном случае приобретает предел текучести и становится вязко пластичной. При более высокой прочности флокул о суспензии можно говорить как о пластичной.

При слабом и среднем меж частичном притяжении, но высокой концентрации дисперсной фазы, проявляются свойства грануловязкости, и суспензия при этом превращается в пасту. Если такой же эффект возникает при сильном меж частичном притяжении, но при низких концентрациях дисперсной фазы, то суспензия превращается в гель.

Суспензии представляют собой двухфазные системы, где дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - жидкость.

В практике обогащения полезных ископаемых широко известны водные суспензии, представляющие собой взвесь тонкодисперсных частиц минералов в воде. Они фактически являются рабочими средами многих обогатительных процессов.

Суспензии характеризуются соотношением твердой и жидкой фаз, которое может быть представлено:

- объемной концентрацией твердой фазы, равной отношению объема твердой фазы суспензии к объему суспензии;

- массовой концентрацией твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к объему суспензии;

- массовой долей твердой фазы, равной отношению массы твердой фазы к массе суспензии;

- разбавлением (разжижением) суспензии, равным отношению массы жидкой фазы к массе твердой фазы

- плотностью, равной отношению массы суспензии к ее объему.

Пример: масса пробы магнетитовой суспензии объемом 1 л составляет 1,3 кг. Масса отделенной от воды и высушенной твердой фазы составляет 375 г. Определить показатели, характеризующие соотношение фаз суспензии.

Решение: поскольку известны масса и объем суспензии, то ее плотность составит .

Масса жидкой фазы равна разности массы суспензии и массы твердой фазы, т.е.

.

Массовая доля твердой фазы составит:

,

разжижение суспензии

Этот показатель можно определить и по соотношению масс жидкой и твердой фазы,

т.е.

Массовая концентрация твердой фазы составляет

Если известна плотность твердой фазы, например, для рассматриваемого случая она равна 5000 кг/м³, то .

Контрольные вопросы

1. На каких явлениях и свойствах минеральных зерен основаны гравитационные методы обогащения полезных ископаемых?

2. Дайте понятия плотности и истинной плотности минералов. В чем различия между ними?

3. Что такое «эквивалентный диаметр» минерального зерна и как его определить?

4. Как найти пористость минерала? Каково влияние пористости на скорости движения минеральных зерен в жидкости.

5. Дайте понятие коэффициента формы минерального зерна.

6. Что такое коэффициент динамической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

7. Что такое коэффициент кинематической вязкости жидкости и чему он равен для воды? Какова размерность этого коэффициента?

8. Что такое суспензия и каковы ее основные характеристики?

9. Перечислите факторы, определяющие вязкость суспензий и дайте пояснения их влиянию.

10. Запишите формулу для плотности суспензии.

Соотношение групп взаимодействий и факторов,

определяющих вязкость суспензии