Обсуждение результатов и модель «жесткого, срезаемого» пристенного слоя

1.2.3 Обсуждение результатов и модель «жесткого, срезаемого» пристенного слоя.

 Наблюдаемый характер зависимости <v_э>/p = f(p) объясняется существованием в прослойке пристенных слоев толщиной 2d_s. Их наличие приводит к тому, что реальное проходное сечение зазора s, по которому протекает жидкость, меньше, чем геометрическое S=bD (рис.3). С ростом приложенного давления и соответственно скорости течения равновесная толщина слоя на каждой из подложек уменьшается и, начиная с какого–то значительного перепада давления, проходное сечение зазора совпадает с геометрическим.

Поэтому для расчета параметров слоя рассмотрим его простейшую реологическую модель: на поверхностях обеих пластин, ограничивающих зазор, существует неподвижный (гидродинамически «жесткий») слой, периферийная часть которого “срезается” течением (рис.3). При постепенном увеличении скорости течения (за счет повышения перепада давления DP) толщина пристенного слоя убывает вплоть до нуля.

В такой модели, в соответствии с (1), рассматриваемая величина отношения <v_э>/p может быть представлена в виде:

, (3)

что позволяет по полученным экспериментальным зависимостям <v_э>/p = f(p) рассчитать как начальную толщину слоя d_0s (ее значение при p = 0), так и ее текущее значение – величину d_sв функции градиента давления или возрастающей с ним скорости течения жидкости <v_э>.

Рассчитанные таким образом значения толщины d_s«жесткого, срезаемого» слоя  в зависимости от средней линейной скорости <v_э> течения жидкости в данном зазоре для каждой из трех серий экспериментов приведены на рис.5. В принятой модели пристенного слоя для количественного описания явления его «срезания» течением зависимость d_s= f(<v_э>) аппроксимировалась функцией:

. (4)

Здесь d_0s (мкм) – толщина пристенного слоя при отсутствии течения, (<v_э>) – средняя (по сечению зазора) линейная скорость течения жидкости, v₀(мм/с) – параметр, характеризующий «жесткость» слоя, его способность к «срезанию» течением. Значения параметров d_0s и v₀ аппроксимирующей зависимости (4) приведены в табл.2.

Рис.5. Зависимость толщины пристенного слоя d_s масла МРХ-30 (Т = 394 К) на стальной подложке в модели «жесткого, срезаемого течением слоя» от средней (по сечению) линейной скорости течения жидкости <v_э> в зазоре. Обозначения те же, что и на рис.4. Сплошная линия – аппроксимация D₁ = 39,7 мкм (·) функцией (4)

Таблица.2

Параметры МОДели	Толщина зазора D, мкм
	39,7	35,0	31,0
d0s, мкм	3.4	3.2	3.1
v0, мм/с	2.2	1.9	2.6

Реологические характеристики пристенного слоя масла МРХ-30 (Т = 294 К) на поверхности стали в модели гидродинамически «жесткого, срезаемого слоя»

Как следует из рис.5 и табл.2, при отсутствии течения пристенный слой масла МРХ-30 на стальной подложке имеет толщину d_0s » 3 мкм. «Прочность» слоя на «срезание» сравнительно невелика – уже при скоростях течения <v_э> = v₀ ~ 2 мм/с толщина слоя d_s~ 1 мкм, а при <v_э> ~ 10 мм/с ничтожно мала. Рассчитанная величина d_0s близка, но несколько меньше значений равновесной толщины ЭЖК слоя (d_0s » 7 ¸ 9 мкм) алифатических углеводородов и масел, полученных в оптических измерениях [2].

Расхождение с результатами таких измерений по толщине d_0s можно объяснить несовершенством модели слоя, принятой для расчетов этого его параметра. В частности, не в пользу модели гидродинамически неподвижного слоя, о его «не жесткости» свидетельствует то, что даже при наименьших зазорах в наших измерениях не было отмечено предельного напряжения сдвига.

По-видимому, модель ЭЖК слоя, участвующего в течении жидкости, более адекватно может описать его реологические свойства. Для развития такой модели представляется необходимым одновременно с вискозиметрическим опытом проведение независимого измерения (оптическими или иными способами) структурных характеристик (толщины, однородности и др.) ЭЖК слоя прослойки при ее течении.

2 Исследование особенности граничного трения ротационным вискозиметром

В настоящей работе в исследованиях был использован разработанный и сконструированный в лаборатории эпитропных жидких кристаллов Одесского Национального Университета ротационный вискозиметр, предназначенный для исследования Куэтовского течения в тонких (5 ¸ 50 мкм) однородных и неоднородных (с приповерхностными структурированными слоями) жидких прослойках.

Для прямых измерений вязкости тонких прослоек смазочных жидкостей между стальными подложками в приборе применялась в качестве рабочей цилиндрической пары вискозиметра стандартный узел топливной аппаратуры - распылитель форсунки, что позволило исследовать вязкость прослоек масла и топлива толщиной до 6 мкм. Схема установки представлена на рис.1. Измерения на приборе проводились методом задания постоянной скорости W (от 3 до 200 об/мин) вращения наружного цилиндра - корпуса форсунки (R_н ~ 3×10^-3 м). Набор штоков форсунки - сменных внутренних цилиндров различных диаметров позволял изменять толщину прослойки жидкости до 20 мкм. Пределы измерения коэффициента вязкости составляли h= 5×10^-3 ¸1 Па×сек, изменения скорости деформации - e = 50 ¸ 4×10³ с^-1. Измерителем крутящего момента в вискозиметре является бифилярный подвес 5 (рис.1) с регулируемой чувствительностью. Вращение наружного цилиндра в точно обработанной цилиндрической поверхности корпуса 10, играющего роль подшипника скольжения, обеспечивается реверсивным асинхронным двигателем 3 с редуктором и ременными передачами. Соосность цилиндрической пары и натяжение подвеса обеспечивается системой грузов (калиброванных по массе дисков), располагаемых на цанговом держателе внутреннего цилиндра - штока форсунки. Число устанавливаемых дисков определяет чувствительность бифилярного подвеса к крутящему моменту трения. Прецизионная регулировка чувствительности измерителя крутящего момента обеспечивается изменением длины нитей подвеса. Поверхности деталей, входящие в контакт с исследуемой жидкостью, перед сборкой вискозиметра очищались от механических и органических загрязнений путем промывки растворителями (бензин высокой очистки и эфир) и просушивались. Исследуемые жидкости отстаивались и фильтровались. После заполнения вискозиметра исследуемой жидкостью при различных фиксированных угловых скоростях вращения внешнего цилиндра (в диапазоне = 10² ¸ 10⁴ рад/с) проводились измерения угла поворота j внутреннего цилиндра. Разброс отсчетов угла в пределах серии измерений был ~ 1%, однако, воспроизводимость последовательных серий достигала 10%, что связано, по-видимому, с возможным попаданием в зазор отдельных частиц твердых примесей. Режимы течения во всех проведенных опытах были ламинарными (Re<<1). «Объемная» вязкость исследовавшихся жидкостей измерялась стандартными капиллярными вискозиметрами.

Рис.1.Схема ротационного вискозиметра.

Исследование было посвящено исследованию масла САЕ 30. Масло отработало 950 часов в циркуляционной системе двигателя 64А25/34. Масло было исследовано и установлено, что на стальной поверхности образуется сравнительно толстый ЭЖК слой. Результаты измерения вязкости приведены на Рис.2. На последнем этапе исследований в масло был введён 1 % алиинновой кислоты, результаты измерения вязкости приведены Рис.4.Толщина слоя между цилиндрами составляла D=13.1мкм.

Рис.2. Зависимость вязкости от средней скорости течения масла: САЕ-30 между цилиндрами в ротационном вискозиметре.

На рис 2 мы наблюдаем ,что вязкость препарата падает со скоростью и примерно при величине скорости 5 мм/с становится равной вязкости изотропной жидкости, что свидетельствует о структурированности приповерхностного слоя.

По аналогии с приведенной теоретической моделью обработки данных в работе с капиллярным вискозиметром.

 Была рассмотрена простейшая гидродинамическая модель "жесткого срезаемого слоя".

 Т.е вязкость приграничного слоя равна бесконечности и эти слои срезаются.

Введем 51=2, 54=1, 53= r

Модель:

В полярных координатах:

х = r cos ω t y = r sin ω t

ω = v / r

Найдем компоненты скорости

V_x = -r ω sin ω t =- ω y

V_y = r ω cos ω t = ω x

Напряжение сдвига

S_xy=η ,  подставим

для у=0

найдем момент сил

Получим для момента

-толщина приповерхностного слоя.

Используя эту модель можем построить графики зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения масла.

Рис.3. Зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения препарата.

На Рис.3 мы видим, что со скоростью приповерхностный слой разрушается и при скорости примерно 5 мм/с он фактически разрушается полностью.

По аналогии проведем расчеты для масла САЕ-30 с добавкой 1% олеиновой кислоты, получим

 Рис .4 Зависимость вязкости от средней скорости течения масла САЕ-30 с добавкой ПАВ между цилиндрами в ротационном вискозиметре.

Применим модель "жесткого слоя", получим:

 Рис.5. Зависимость толщины приповерхностного слоя от скорости течения препарата с добавкой ПАВ.

 На Рис4 мы видим, что величина коэффициента вязкости масла уменьшается с ростом скорости сдвиговой деформации более плавно, что связано, с повышение прочности структуры слоя при введении ПАВ. Заметим, что скорость, при которой величина вязкости препарата становится равной вязкости изотропной жидкости, т.е. соответствующая скорости полного разрушения структурированной прослойки более чем вдвое выше, чем для масла САЕ без добавления ПАВ (рис. 2).

Зависимость на Рис 5 говорит о повышении прочности структуры слоя при введении в масло ПАВ.

Механизм действия ПАВ можно представить следующим образом. Молекулы олеиновой кислоты, концентрируясь на межфазной границе раздела масло-металл, образуют мономолекулярный гомеотропно ориентационно упорядоченный слой. Этот слой, являясь ориентантом для эпитропной ЖК фазы масла, способствует повышению дальнего ориентационного параметра порядка ЭЖК — одного из параметров, определяющего «гидродинамическую прочность» структурированного слоя.

Выводы

1.Из ранее проведенных исследований ЭЖК слоев, следует ,что такие структурно чувствительные свойства этих объектов как их вязкость ,толщина, и зависимость этих свойств от скорости течение, температуре влияния ПАВ не достаточно изучена.

2.Для установление свойств собственных эпитропных жидкокристаллических слоев необходимо использование гидродинамических моделей.

3.Проведены исследования реологических свойств моторного масла САЕ-30, на ротационном вискозиметре, при различных скоростях и температурах.

4.В рамках модели ЭЖК слоя «жестко срезаемый слой» рассчитали толщину ЭЖК слоя САЕ-30 и ее изменение со скоростью течение. С ростом скорости течения ЭЖК слой утончается и при скорости 5 мм/с этот слой разрушается .Получены зависимости. Приведены параметры толщины со скоростью и приведены апраксемирующие параметры.

Получены зависимости корелирующие с результатами полученных для подобного смазывающего материала в щелевом вискозиметре.

В вискозиметре исследовалось масло лигированое ПАВ, установлено влияние такой присадки на структурные свойства.

Введение в качестве ПАВ олеиновой кислоты 1% ,приводит к упрочнению ЭЖК слоя: повышению его толщины и разрушается при скорости 10мм/с.

Такое влияние ПАВ может быть практически применено для уменьшения износа и научного обоснованного подбора масла.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.                Б.А.Алтоиз, В.Т.Дейнега. Влияние граничного слоя жидкости на эффективность теплообмена в системах с каналами малого сечения. Научно-технический сборник «Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры». Одесса: Вып.1.- 2001.- С.15-18.

2.                Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Капиллярный вискозиметр для исследования тонкихнеоднородных жидких прослоек Вюпик Одеськ. держ. ун-ту.- 2001. 1.6, вип.З. Фп. мат. науки-С. 191-198.

3.                Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоев. - Одесса: Астропринт, 1995.- 153 с;

4.                Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика.-М.: Наука, 1986.-617с.

5.                Царгородская А.Б., Алтоиз Б.А., Поповский А.Ю. Исследование ориентациошюй слоев нитробензола, образованных на металлической эролиспершых систем. К.- Одеса, В ища школа, -1998-

6.                Б.А.Алтоиз, А.Ю.Поповский. Метод клиновидной кюветы в исследованиях ориента-ционно упорядоченных пристенных слоев, сформированных вблизи непрозрачных подложек // Зб1рник наукових праць «Вюник Одеського державного ушверситету". -1999.-Т.4.-Вип.4.-С.22-26

7.                Поповский Ю.М.. Берникова Н.Б. Исследование оптической анизотропии граничных слоев полидиметилсилоксилана и его смесей стетрадеканом. // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений. - Калинин: КГУ. - 1983. - С. 25-32

8.                .Зорин З.М., Чураев Н.В.. Новикова А.В. Вязкость полимолекулярных пленок воды и декана на поверхности кварца // Вопросы физикиформообразования и фазовых превращений. -Тула, 1993. - Вып. 3. -С. 42-49.

9.                Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоев. -Одесса: Астропринт, 1995. -153 с.

10.           Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Капиллярный вискозиметр для исследования тонких неоднородных жидких прослоек // BicHHK Одеськ. нашон. ун-ту. -2001. -Т. 6. - Вип. 3. Ф1з.-мат. науки. - С. 191-198.

11.           Овчинников П.Ф. Виброреология. - Киев: Hay ко ва думка, 1983. -271 с.

12.           Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Капиллярный вискозиметр для исследования тонких неаднородных жидких прослоек // Весник Одеськ. нацон. ун-ту. 2001. Т.6. Вип.З.

13.           Алтоиз Б.А., Поповский А.Ю. Метод клиновидной кюветы в исследованиях ориентационно упорядоченных пристенных слоев сформированных вблизи непрозрачных подложек // Вісник Одеськ. держ. ун–ту.– 1999.– Т. 4., вип.3. Фіз.–мат. науки.– С. 22–26.

14.           Поповский Ю.М., Берникова Н.Б. Исследование оптической анизотропии граничных слоев полидиметилсилоксилана и его смесей с тетрадеканом. // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений.– Калинин: КГУ. – 1983. – С.25–32.

15.           Зорин З.М., Чураев Н.В., Новикова А.В. Вязкость полимолекулярных пленок воды и декана на поверхности кварца // Вопросы физики формообразования и фазовых превращений. – Тула:– 1993. – Вып.3. – С.42–49.

16.           Алтоиз Б.А., Поповский Ю.М. Физика приповерхностных слоев. – Одесса: Астропринт, 1995.–

17.           Р.Фейман., Р.Лейтон., М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физики. // Физика сплошных сред. - Москва: Мир, 1977-С253-257