Жидкости, реологические характеристики которых зависят от времени

Для этих жидкостей весьма существенен фактор времени, так называемая механическая предыстория вещества. В зависимости от продолжительности предшествующей деформации затем либо понижается (тиксотропия), либо повышается (реопексия). Тиксотропным материалам свойственно разрушение структуры под действием сдвига.

Кривые течения тиксотропных сред представлены на рис. 1.3, 1.4, 1.5. Эти кривые имеют гистерезисные петли.

Примеры тиксотропных сред: буровые и промывочные растворы, типографские краски. Тиксотропные эффекты весьма существенны во многих практических приложениях, но они не имеют удовлетворительного теоретического описания. Поэтому в теоретических исследованиях, например, в бурении, глинистые растворы рассматриваются как нелинейно–вязкие жидкости или вязкопластичные жидкости, подразумевая при этом, что константы реологической модели могут изменяться в зависимости от хода процесса.

Реопектические жидкости встречаются на практике довольно редко. Материалы, обнаруживающие структурообразование при сдвиге: суспензии гипса, водные растворы бентонита. Реопексия обнаруживается лишь при небольших скоростях сдвига. Кривая течения представлена на рис. 1.6.

Например, водный раствор гипса в пробирке затвердевает через 40 минут последующего стояния. В другом опыте после осторожного перекатывания пробирки между ладонями время затвердевания сокращается до 20 секунд. По-видимому, небольшие перемещения сдвигового характера, способствуют образованию структуры, в то время как значительные сдвиги (встряхивания) разрушают ее.

Вязкоупругие жидкости

Эти жидкости обладают как свойствами вязкости, так и упругости. К числу таких сред относятся очень вязкие синтетические материалы, а также слабые растворы полимеров в ньютоновской жидкости. Для описания поведения таких сред предложена модель Максвелла – линейное наложение обычной стоксовой вязкости и гуковой идеальной упругости твердого тела. Например – смола. Если напряжение накладывается линейно, либо действует продолжительное время, то смола течет как обычная вязкая жидкость. Когда приложенное напряжение действует быстро, смола испытывает гукову деформацию, пропорциональную напряжению и полностью исчезающую при быстром разгружении образца.

При одномерном течении (ε – скорость деформации).

(1.4)

Если положить ε = 0 (постоянная деформация) и проинтегрировать уравнение (1.4) при условии t = 0, , = 0, е = const то получается

(1.5)

С ростом времени t напряжение τ возвращается к тому нулевому значению, которое соответствовало бы, равновесному состоянию среды при отсутствии скорости деформации ε. Процесс возвращения к равновесному состоянию среды, выведенной из этого состояния каким то возмущением, называется релаксацией, а характерное время развития этого процесса – временем релаксации. Убывание напряжения в модели Максвелла, выраженное уравнением (1.5), дает пример релаксации (ослабления) напряжения в потоке вязкоупругой жидкости.

Обозначим через λ величину , тогда уравнение (1.5) запишется в виде

Через промежуток времени t = λ = напряжение уменьшится в e ≈ 2,7 раза по сравнению с начальной величиной τ₀. Величина λ = называется временем релаксации (или периодом).

Вязкоупругие жидкости отличаются от вязких не только наличием релаксационных эффектов, вызванных упругостью. При чисто сдвиговом деформировании в вязкоупругих жидкостях кроме касательных напряжений возникают также нормальные напряжения, перпендикулярные линиям тока. Так, например, при напорном движении в канале действие нормальных напряжений проявляется в поперечном утолщении материала сразу же после его выхода наружу (рис.1.7). С подобным разбуханием струи приходится считаться в ряде промышленных процессов, таких, как выдавливание волокон и прутков из фильеры, экструзионное производство пленок и труб, прокатка листового металла и др.

Одной из проблем, которые еще не разработаны детально, является проблема выбора модели данного материала. По существу это прежде всего проблема классификации: по известным реакциям материала установить, следует ли его считать ньютоновской или неньютоновской жидкостью, в последнем случае – к какому типу неньютоновских жидкостей следует его отнести и какими реологическими константами следует его охарактеризовать.

В реологических опытах реализуются простейшие течения, допускающие измерение основных динамических и кинематических характеристик и одновременно допускающие теоретический анализ для возможно более широкого класса реологических моделей. Из сопоставления результатов опыта с теоретическими соотношениями делается вывод о виде реологической модели жидкости и ее константах.

Любая реологическая классификация не абсолютна и сохраняет смысл лишь в определенной области применения (так вполне «ньютоновские» смазочные масла проявляют заметную вязкоупругость при сверхвысоких давлениях и скоростях сдвига, реализующиеся в условиях контакта трущихся тел).

Глава II