Дисперсные системы и промывочные жидкости - ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

 

Дисперсные системы обладают вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью — свойствами, которые получили на­звание структурно-механических. Эти свойства во многом опре­деляют эксплуатационные характеристики промывочных жидко­стей и тампонажных растворов.

Законы течения и деформации любого тела — предмет изу­чения реологии. Цель реологии — составить такую систему уравнений, которая бы связывала напряжения, деформации, ско­рости деформации и была применима для любых тел.

Любое тело изменяется, деформируется под действием внешних сил. Если деформация тела исчезает при устранении внешних сил, то тело и деформации называются упру­гими. Если тело после снятия нагрузки не принимает свою первоначальную форму, то это свидетельствует, что наряду с упругой деформацией существует и пластическая дефор­мация. Тело называется пластическим, если оно способно без разрушения переносить значительные пластические деформации, намного превосходящие упругие.

Поведение любого тела под воздействием внешних сил опре­деляется его внутренней структурой, величиной и скоростью воз­никновения напряжений, характером их изменения.

Коагуляционным структурам присуща сдвиговая высокая эластичность, которая имеется даже при жестких частицах дис­персной фазы, образующих пространственную сетку. Это связа­но с взаимной ориентацией анизодиаметричных частиц —пало­чек, пластинок или цепочек, образуемых изометричными части­цами в направлении сдвига. Каждому значению деформации сдвига соответствует определенная степень ориентации, непре­рывно возрастающая при деформации. Если напряжения, воз­никающие в коагуляционной структуре, не превышают предела текучести, при снятии нагрузки структура быстро восстанавли­вается. Высокоэластичные деформации коагуляционных струк­тур в тысячи раз и более превышают истинно упругие.

Оценка свойств промывочной жидкости, определяющих ее поведение при движении, связана в первую очередь с вяз­костью. Под вязкостью понимается свойство жидкости со­противляться относительному перемещению ее частиц. Таким образом, вязкость — мера внутреннего трения.

Рассмотрим движение жидкости между двумя параллельными плоскостями, одна из которых неподвижна, а другая перемеща­ется с постоянной скоростью и (рис. 3). Слой жидкости, приле­гающий к подвижной плоскости, будет перемещаться со ско­ростью и, а скорость частиц жидкости на неподвижной плоско­сти равна нулю. Движение от одного слоя жидкости к другому в направлении, перпендикулярном к движению, будет передаваться за счет сил внутреннего трения.

Чтобы сдвинуть одну плоскость относительно другой, нужно приложить к подвижной плоскости некоторую силу F, равную силе трения. Согласно теоретическим положениям Ньютона, сила Fпропорциональна поверхности соприкосновения S, ско-

рости и и обратно пропорциональна расстоянию между плоско­стями п:

 F =  μSu/n.                                                               (I . 3)

 

clip_image008

Рис.  3.    Изменение    скорости   Рис. 4. Реологические кривые:

жидкости по нормали. 1 — ньютоновская жидкость; 2 телоБингама; 3— тело Шведова

 

Если расстояние между двумя частицами рассматриваемого слоя жидкости бесконечно мало,

clip_image010                                                                            (I.4)

Если силу Fотнести к единице площади, то получится зна­чение так называемого касательного напряжения (закон жид­костного трения Ньютона)

clip_image012                                                              (I.5)

 

Здесь  μ — коэффициент внутреннего трения или динамиче­ской (абсолютной) вязкости; du/dn— градиент скорости сдвига.

Чаще  μназывается просто динамической или абсолютной вязкостью; размерность μ — Па•с.

Графически (рис. 4) закон Ньютона выразится прямой лини­ей ОС, проходящей через начало координат с угловым коэффи­циентом  Величина, обратная tgα, есть μ.

Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. К ним можно отнести воду, истинные растворы, некоторые естественные промывочные жидкости и др. В систе­ме прямоугольных координат ньютоновские жидкости всегда ха­рактеризуются одним постоянным параметром — абсолютной вязкостью μ. Наряду с понятием абсолютной вязкости пользуют­ся и понятием кинематической вязкости vм2/с). Абсолютная и кинематическая вязкости связаны между собой отношением

v=μ/ρ,                                                                                                                 (I.6)

где р — плотность промывочной жидкости.