高剪切下的黏度變大一定意味著剪切增稠嗎?

2021-02-24 黏彈測量技術及應用案例探討
對於低黏度流體,測量時除了會出現前文所說的低剪切下黏度意外上升外,在高剪切區也常常會表現出黏度明顯上升的現象,這是不是意味著這類流體存在剪切增稠呢?是不是也有可能是測量造成的假象呢?若是,原因又是什麼呢?我們知道,黏度測量時流體的流動必須處於層流區,使用牛頓流體定律量化流體的黏度,測黏流動圖示如下。

在測黏流動中,最上層的流體隨著上板的拖曳而向前運動,進而拖曳其下層的流體亦向前流動,一層拖曳一層,流體形成存在速率梯度的層流。當流速較低時,流體的慣性對流體元的運動沒有擾動,此時流動是穩定的層流;可是,當流速較高時,流體的慣性就會擾動流體元的流動,從而形成湍流(渦流、慣性流或二次流)。使用同心圓筒和錐板測試時的湍流效應如下圖所示。

式中ρ為流體的密度,ν為流速,d為流道尺度,η為流體黏度。當雷諾準數較小時,流體的流動狀態為層流;而當雷諾準數較大時,流體的流動狀態轉為湍流,這種情況下,表觀應力就會上升,從而使得測得的黏度會實際值要高。

從上式可以看出,黏度低、密度大、流速高和間隙大的情況下,雷諾準數會較大容易產生湍流,這就是低黏度樣品執行高剪切測試容易出現黏度上翹的原因。在樣品和剪切速率要求給定的情況下,為了抑制湍流效應,只有在流動測試間隙上下功夫,即可能使用較小的測試間隙。執行高剪切測試時,對於平行板,可適當減小測試間隙;對於錐板,可選擇錐度更小的錐板;對於同心圓筒,應選擇直徑稍大的窄間隙筒。執行高剪切測試時,若出現了高剪切區黏度上翹的現象,需要通過上述措施確認是否是因為湍流造成的測試假象……

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