ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Реология неньютоновских жидкостей из "Проблемы извлечения остаточной нефти физико-химическими методами" Используемые для повышения нефтеотдачи системы, как правило, тоже обладают неньютоновскими свойствами, которые крайне важны для их технологической эффективности. Именно благодаря неньютоновским свойствам такие системы, как растворы полимеров, глинистые суспензии и неорганические гели, нашли широкое применение в нефтяной промышленности как водоизолирующие агенты. Кроме того, для дисперсных систем изучение механических свойств является весьма удобным методом исследования протекающих процессов структурообразования и стабилизации. [c.46] Согласно этому уравнению, вязкость, или коэффициент внутреннего трения, являются величинами постоянными. Тогда зависимость напряжения сдвига от градиента скорости деформации представляет собой прямую, выходящую из начала координат с угловым коэффициентом, равным вязкости (линия 1 на рис.2.4). Однако выяснилось, что лишь немногие простые системы подчиняются уравнению (2.6), для большинства природных и искусственных систем были обнаружены отклонения от закона Ньютона, имеющие различный вид [61-62]. [c.46] Другой класс систем (см. линия 4 на рис. 2.4), называемых ди-латантными, также может быть удовлетворительно описан уравнением Оствальда с п . Для них увеличение скорости деформирования приводит к увеличению вязкости. Прежде всего дилатансия наблюдается для концентрированных суспензий, в которых частицы принудительно сближены. Когда система покоится, частицы находятся в плотной упаковке при деформировании для движения частиц необходимы пустоты, поэтому изменяется упаковка, что приводит к схватыванию частиц. [c.48] К тиксотропным относятся жидкости, у которых при постоянной скорости сдвига вязкость снижается во времени. В первую очередь это явление свойственно структурированным коллоидам с небольшой прочностью структуры. Для тиксотропных систем характерно явление гистерезиса, когда в покоящейся после деформирования системе восстанавливается исходная структура, а значит, начальное значение вязкости. У реопектических жидкостей (например, красок), наоборот, вязкость во времени возрастает. [c.49] Отличие данных моделей в том, что для тела Максвелла складываются деформации вязкого и упругого элементов, а для тела Кельвина-Фойгта складываются напряжения сдвига. Поэтому при постоянной деформации в теле Максвелла наблюдается релаксация напряжений, а в теле Кельвина-Фойгта при постоянном напряжении сдвига наблюдается рост деформации (упругое последействие) [63]. [c.49] Природа упругости жидкостей может быть различной. Так, для концентрированных связнодисперсных систем с большой поверхностью контактов между частицами упругость объясняется наличием твердообразных свойств, прочностью структуры. Упругие свойства растворов полимеров обусловлены в первую очередь эластичностью макромолекулярных клубков. [c.49] Описание реологического поведения неньютоновских жидкостей весьма проблематично из-за разнообразия и сложности процессов, сопровождающих структурообразование. В связи с этим Ребиндером были заложены основы новой пограничной дисциплины - физико-химической механики [64], выдвигающей следующие задачи - выявление механизмов и закономерностей физико-химических процессов образования разного рода структурированных систем и конструкционных материалов, а также определение зависимостей их механических параметров от различных факторов. [c.50] Непосредственное измерение таких параметров системы, как модуль Юнга и пластическое напряжение сдвига по Шведову, является весьма сложной лабораторной задачей, поскольку связано с очень малой скоростью деформации часто эти параметры не измеряют непосредственно, а получают путем интерпретации реологических данных. Поэтому наиболее часто в качестве меры прочности возникающей структуры пользуются бингамовским предельным напряжением сдвига. [c.50] Обычно снимают отдельные значения напряжения сдвига при возрастающей скорости деформации (или наоборот), а затем методами математической аппроксимации получают значения различных параметров (пластическое напряжение сдвига, структурная вязкость и т.д.). Под математической аппроксимацией в данном случае понимается подбор какого-либо из многочисленных модельных уравнений по наименьшей ошибке аппроксимации. При этом вид уравнения определяется либо интуитивно, либо по наименьшей ошибке, а тот факт, что точность аппроксимации данных растет с увеличением числа параметров, входящих в уравнение, не учитывается. В то же время при ограниченном числе экспериментальных точек ( 15...20) подбор модели по критерию ошибки может привести к неоправданному усложнению модели. Так, если описывать кривую, состоящую из Лоточек, полиномом Л -й степени, ошибка будет равна 0. [c.51] В свою очередь следует учитьшать, что конечной целью математической обработки реологических данных являются не только определение типа жидкости (псевдопластическая, дилатантная и т.д.) и подбор наилучшей модели, но и получение параметров, количественно характеризующих систему. Для многих сложных моделей интерпретация результатов затруднительна, поскольку физический смысл некоторых параметров неясен. В то же время некоторые из параметров, а именно пластическое напряжение сдвига, структурная вязкость и вязкость разрушенной структуры, имеют большое значение, поскольку позволяют производить количественную оценку исследуемых систем. [c.51] Таким образом, задачу выбора реологической модели можно отнести к некорректным - чем выше сложность модели, тем меньше эмпирическая ошибка, но тем ниже достоверность полученных результатов. Для решения этой задачи необходимо прибегать к процедурам, позволяющим выбирать не только наиболее точную, но и наиболее правдоподобную модель, например, к методу Тихонова [65] или методу минимизации структурного риска [66]. [c.51] При обработке реологических кривых авторы используют метод минимизации структурного риска, или метод Вапника, реализованный на ЭВМ. В программу заложены только относительно простые реологические модели Оствальда, Шведова-Бингама и Гершеля-Балкли (2.7) - (2.9), так как число экспериментальных точек обычно не превышает 24. [c.51] Модели, включающие в себя предельное напряжение сдвига, были выбраны не случайно. Во-первых, наличие или отсутствие То имеет принципиальное значение для отнесения жидкости к тому или иному классу. Во-вторых, при фильтрации жидкости с предельным напряжением сдвига используется не уравнение Дарси, а так называемое уравнение фильтрации с начальным градиентом. [c.52] Сложность п по уравнениям (2.7) и (2.8) равна 2, для (2.9) л = 3. [c.52] Смысл критерия Вапника заключается в компромиссе между точностью и сложностью выбираемого уравнения. При явной нелинейности полученных кривых консистентности вероятность выбора модели Шведова-Бингама весьма сомнительна, и вероятно, что будет принята модель (2.8) или (2.9). В этом случае применение данного алгоритма означает, что программа неохотно признает наличие пластического напряжения сдвига у системы. [c.52] Оценка упругих свойств жидкостей зачастую оказывается более сложной экспериментальной задачей, чем определение вязкостных характеристик. Прямое определение характеристик сдвиговой упругости требует специального реологического оборудования, позволяющего исследовать процессы релаксации в жидкости, например, с помощью осцилляторного метода. Поэтому часто пользуются косвенными методами, например, методом Кросса, позволяющим получить основную характеристику упругости - модуль сдвиговой упругости о. Область применимости данного метода, однако, ограничена жидкостями, подчиняющимися уравнению Максвелла (2.10). [c.54] Сущность метода Кросса заключается в учете нормальных напряжений, возникающих при движении жидкости в зазоре ротационного вискозиметра. Как уже упоминалось, при движении жидкости по круговой траектории часть прилагаемой энергии тратится на возникающее центростремительное ускорение, которое не регистрируется прибором (неустойчивость Куэтта). Это выражается в отклонении (занижении) значений наблюдаемой вязкости по сравнению с вязкостью, измеренной в условиях чистого сдвига [67]. Если перестроить зависимость эффективной вязкости от напряжения сдвига в координатах 1г - т , должна получиться прямая с отсечением, равным (1/т ,) , и угловым коэффициентом, равным 1/4С т где т , - истинная неэластическая вязкость, С - модуль Гука. [c.54] Реологическое поведение вязкоупругих жидкостей далеко не всегда удовлетворяет модели Максвелла, что связано, например, с разрушением имеющейся в системе структуры (или с конформаци-онными изменениями в случае полимеров) с увеличением скорости сдвига. При этом модуль Гука и коэффициент вязкости уже не являются постоянными, и метод Кросса оказывается неприменим. [c.55] Для экспрессной оценки упругих свойств растворов полиакриламида авторы используют метод вытягивания нити, реализованный с помощью прибора конструкции ИПНГ РАН. Метод основан на явлении прядомости вязкоупругих жидкостей. Благодаря наличию упругих свойств растворы полимеров способны образовывать сравнительно долгоживущие нити, скорость утончения и время жизни которых зависит от времени релаксации системы. К достоинствам метода можно отнести его экспрессность и достаточную точность недостатком является условность определяемого времени жизни нити. При этом эффект прядомости, то есть образования долгоживущих нитей, проявляется в довольно узком диапазоне вязкостей и упругостей сшитых растворов, когда жидкость еще сохраняет текучесть. Тем не менее данный метод весьма информативен в тех случаях, когда не представляется возможным измерить время релаксации в условиях чистого сдвига или вычислить из данных ротационной вискозиметрии. [c.55] Вернуться к основной статье