Коэффициент кинематической вязкости - важная характеристика жидкости

Коэффициент кинематической вязкости является ключевой характеристикой любой жидкости. От его значения зависит поведение жидкости при течении, перемешивании, перекачке. Поэтому так важно знать этот показатель и уметь им пользоваться на практике.

Основные понятия о кинематической вязкости жидкости

Кинематическая вязкость υ - это отношение динамической вязкости жидкости μ к ее плотности ρ:

υ = μ / ρ

Где:

• υ - кинематическая вязкость, м2/с
• μ - динамическая вязкость, Па*с
• ρ - плотность жидкости, кг/м3

Динамическая вязкость показывает внутреннее трение в жидкости, а кинематическая - скорость затухания возмущений в ней. Чем выше кинематическая вязкость, тем медленнее переносится импульс в жидкости, и наоборот.

Основная единица кинематической вязкости в СИ - м2/с. Также используются единицы СГС и несистемные, такие как стоксы и сантистоксы:

• 1 стокс = 10−4 м2/с
• 1 сСт (сантистокс) = 10−6 м2/с

Кинематическая вязкость сильно зависит от температуры жидкости. Для газов с ростом температуры вязкость увеличивается, а для жидкостей - уменьшается.

Для измерения кинематической вязкости используют специальные приборы - вискозиметры. Наиболее распространены стеклянные U-образные вискозиметры, в которых замеряется время истечения фиксированного объема жидкости.

Значение коэффициента кинематической вязкости

Кинематическая вязкость играет важную роль во многих процессах и расчетах с участием жидкостей.

В частности, от нее зависит режим течения жидкости. При малых значениях кинематической вязкости (т.е. высокой "текучести") перенос импульса быстрый и возможен турбулентный режим. А высоковязкие жидкости всегда движутся ламинарно, послойно.

Для оценки режима течения используется число Рейнольдса Re, которое учитывает и вязкость, и скорость, и размеры:

По значению числа Рейнольдса Re определяют, будет ли течение жидкости ламинарным (Re < 2300) или турбулентным (Re > 3000).

Также на основе кинематической вязкости классифицируют жидкости:

• Ньютоновские - вязкость не зависит от скорости сдвига (вода, масла)
• Неньютоновские - вязкость изменяется от скорости сдвига (кровь, краски, полимеры)

Для них нужны разные подходы к анализу и расчетам движения или перемешивания.

Кинематическая вязкость важна при проектировании трубопроводов, насосов, теплообменников, реакторов и другого оборудования с жидкостями. От правильного выбора рабочей жидкости зависят характеристики, производительность, надежность и ресурс всей установки.

Как определить коэффициент кинематической вязкости

Существует несколько способов определения коэффициента кинематической вязкости жидкости:

1. Лабораторные измерения с помощью вискозиметров
2. Расчет по эмпирическим или теоретическим формулам
3. Онлайн-калькуляторы
4. По таблицам стандартных значений для разных жидкостей

Наиболее точный, но и трудоемкий способ - использование вискозиметров. Существует множество конструкций таких приборов, отличающихся принципом работы.

Одна из распространенных методик основана на законе Стокса. Суть ее в следующем: в исследуемую жидкость помещают шарик и замеряют скорость его падения. На шарик действуют три силы - тяжести, Архимеда и лобового сопротивления среды. Приравнивая их, можно получить формулу для расчета коэффициента кинематической вязкости:

ν = (d2 ∙ (ρш - ρ) ∙ g) / (18 ∙ η)

Где:

• ν - кинематическая вязкость, м2/с
• d - диаметр шарика, м
• ρ_ш - плотность шарика, кг/м3
• ρ - плотность жидкости, кг/м3
• g - ускорение свободного падения, м/с2
• η - динамическая вязкость, Па*с
  

Контроль вязкости технологических жидкостей

Знание точных значений коэффициента кинематической вязкости позволяет контролировать качество и соответствие нормам используемых технологических жидкостей.

К примеру, вязкость топлива является важным показателем, влияющим на эффективность работы двигателя. С помощью вискозиметров периодически измеряют вязкость топлива и сравнивают с паспортными данными. Это позволяет своевременно обнаруживать отклонения и устранять неполадки.

Аналогичный контроль осуществляется для смазочных масел, охлаждающих жидкостей, пищевых продуктов и многих других.

Регулирование вязкости

Иногда требуется специально изменить вязкость жидкости для решения технологических задач.

Для этого используются различные добавки-загустители или разжижители. Они меняют эффективный коэффициент внутреннего трения жидкости за счет взаимодействия молекул.

Кроме того, можно регулировать вязкость путем нагрева или охлаждения рабочей жидкости. Это особенно эффективно для неньютоновских жидкостей, чьи свойства сильно нелинейно зависят от температуры.

Такой контроль вязкости используется, к примеру, при перекачке нефтепродуктов по трубопроводам. Путем подогрева добиваются оптимальной текучести с учетом климатических условий в каждый конкретный момент.