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粘度是個有趣的話題

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瀏覽:- 發布日期:2018-03-15 15:43:44【
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應力的概念

講這個之前,先看看“內力”的概念,一個流體被外部改變要發生變形時,其內部任意截面的兩個方向上出現的作用力,稱為內力。通俗地理解,你去打別人,可人家是個練家子,能用力擋住,這就叫做內力。內力是考察于特定截面積上的,如果人家將內力集中于手掌阻擋你,而你卻打人家腦袋,這就悲劇了。


內力又可分解成與截面相切(平)的力叫做切線力,也叫剪切力;而垂直于截面的力叫正力,也叫法向力。怎么會有兩個方向呢,因為力和我們截取的平面不一定是平行的,這樣力就可以分解成垂直的兩個方向。


應力的概念,所考察的截面某一點單位面積上的內力,叫做應力,單位N/㎡。


說到這里,已經出現了正向應力和剪切應力(Shear Stress)的概念了。正向應力咱們很少用,但剪切應力是咱們要講的。


2
剪切速率(shear rate)

舉個例子,水管中的水,咱們可以把水想象分成無限的薄層,在流體流通的橫截面上,就會產生速度差,如下圖:


這時,剪切速率=流速差/所取兩液面的高度差


速度的單位m/s,高度的單位m,那么剪切速率的單位是1/s,也寫作S-1。

說到這里,估計有人煩了,這和粘度什么關系?


別急,粘度馬上來了,這些先決條件要清楚,后續有大量和它們有關系的工作條件。


而且,這里之所以花些筆墨來介紹以上兩個定義,是因為這是粘度測試的基礎,尤其是旋轉粘度儀原理。


3
上述兩者的關系

剪切速率與剪切應力間具有如下關系:(F/A)=η(dv/dx),此比例系數η即被定義為液體的剪切粘度。這里,F: 剪切力,A:面積,dv/dx:剪切速率。


這個公式是牛頓同學發現的,后來人們發現牛頓的這個理論有時候也不對,那么,就把符合這個公式的流體叫做牛頓流體,而不符合這個定律的流體就叫做非牛頓流體。通俗地說,水就是典型的牛頓流體,而攪勻了的生雞蛋就是非牛頓流體。對于咱們潤滑油來說,沒有VIM的油品基本都是牛頓流體,而具有VIM的則都是非牛頓流體。


牛頓流體的定義:剪切應力和剪切速率呈線性關系,粘度不隨著剪切速率而改變的流體。


動力粘度


動力粘度(dynamic viscosity),也被稱為動態粘度、絕對粘度或簡單粘度,定義為應力與應變速率之比,其數值上等于面積為1m2相距1m的兩平板,以1m/s的速度作相對運動時,因之間存在的流體互相作用所產生的內摩擦力。單位為N·s/㎡(牛頓秒每米方),即Pa·s(帕秒)。


工程上也常用泊(P)和厘泊(cP, Centipoise)作單位,這些單位的換算關系如下:1Pa.s=1000cP=1000mPa.s=10P


請問,這個大家是否眼熟,這里的動力粘度其實就是剪切粘度η,在定義里我們將所有的單位數據都定義為1。


按定義來說,動力粘度的定義為流體之間的內摩擦力,這個參數才是粘度的真實老大,而咱們經常說的油品粘度往往都不是動力粘度。


不只在潤滑油行業,在幾乎所有的流體里,動力粘度的測量都是很廣泛的,大家所熟悉的如發動機油掃描粘度SBV、車輛齒輪油的低溫粘度等都是測試動力粘度。這個公式是基本。因此,不理解動力粘度,后續將嚴重影響對粘度的理解。


運動粘度


運動粘度的概念是這樣的,動力粘度是需要有一定的外力條件下成形的,如果沒有外力,那就談不上粘度了,因為沒有任何的相對運動,屬于平衡狀況。


可運動粘度不一樣,運動粘度表征是假設沒有外力,只靠流體的重力區分流體的粘稠度,也就是說,外力就是自身的重力,因此運動粘度表征是在重力作用下,不同的流體的流動情況,大家看到的所有測運動粘度的設備都是基于這個原理的。


說到重力作用影響流動,除了流體內部摩擦的阻力以外,還有一個重要的參數就是密度,如水銀和水在重力的作用下肯定有很大的差別,但這種差別可能更多的體現在密度上,因此咱們需要解決密度這個變量,因此動力粘度的定義就出來了:簡單的說,就是動力粘度/密度=運動粘度,運動粘度單位為(m2)/s,有興趣的可以推演一下單位的換算,請注意,這個單位其實沒什么意義。


常用的還有另外的一個單位是Stokes,叫做斯,還有一個更小的叫做“Centistokes”讀作“厘斯”),這幾個單位的換算m2/s=1*104 Stroke=1*106 cst=1*106mm2/s。


換算單位:動力粘度 mpa/s,運動粘度:mm2/s,密度單位g/cm3


大家常說的多少多少的粘度,其實說的是運動粘度,但有很多的應用,重力的作用其實都不大,比如低溫下的發動機油,但為什么大家都習慣說運動粘度呢?是因為這個指標更容易測試,還很準確。而動力粘度則不容易測,但對發動機油來說,有些條件下的動力粘度是非測不可的,如CCS,MRV,HTHS粘度??吹搅税?,J300里面總共4個粘度指標,3個都是動力粘度,只有1個是運動粘度,可能大家更喜歡說運動粘度(30、40、50等)。我們再提一提在什么條件下測試哪一類粘度。


  • 運動粘度:理論上只和重力有關系的狀況下才測,但現在已經離不開這個粘度了,變成用來區分粘稠度的尺子了,其實是有誤區的,以至于有的人都忘了動力粘度了。

  • 動力粘度:當存在外部應力時,以及其他非重力條件的,都要用這個。尤其是非牛頓流體時,說到非牛頓流體的流動,咱們還是舉個例子,如番茄醬,當我們把它從瓶里弄出來的時候,需要大力搖晃并用力擠,這時流體受到剪切力會導致粘度變小,容易流動。而當它放在漢堡中間的時候,沒外力時,它就會粘度變大不容易流動,這種就是典型的非牛頓流體,這個時候測試的粘度才是純粹的動力粘度。該粘度我們后續介紹發動機油的粘度的時候依然會用到,請大家理解并謹記。

~(來源潤滑油聚焦)



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