Нестационарные методы измерения вязкости

Нестационарные метода позволяют непосредственно определять не динамическую, а кинематическую вязкость жидкости.

В математическом отношении теория нестационарных методов намного сложнее, чем стационарных; именно в силу этой причины они не получили такого широкого распространения, как стационарные.

Ставшая чрезвычайно актуальной задача исследования вязкости жидкостей, особенно металлов, при высоких температурах, а также глубокий интерес, проявившийся к изучению вязкости сжиженных газов, заставили избрать путь преодоления серьезных математических трудностей с целью максимального упрощения эксперимента [3].

Теория метода основана на следующих общепринятых в вискозиметрии положениях.
1.Скольжение между жидкостью и внутренней поверхностью тигля отсутствует
2.Колебания тигля рассматриваются при установившемся регулярном режиме. В расчетах должны приниматься те колебания, которые удовлетворяют прямолинейной зависимости логарифма амплитуды от номера колебания. Обычно подобная зависимость наступает спустя несколько колебаний после начала движения подвесной системы.
3.Амплитуды колебания тигля малы и составляют доли радиана.
4.Движение жидкости в тигле с достаточной точностью описывается уравнением Навье-Стока для несжимаемой жидкости без учета нелинейных членов. Предполагается, что жидкость в тигле движется концентрическими слоями, тогда нелинейные члены в уравнении гидродинамики тождественно обращается в нуль. Обычно это имеет место при малых амплитудах и небольших частотах колебаний системы.

Вершаффельт разработал теорию метода измерения вязкости, основанного на наблюдении крутильных колебаний шара, погруженного в исследуемую жидкость. Этот метод применялся для исследования вязкости расплавленных металлов. Однако использование метода колеблющегося шара для исследования металлов связано с двумя серьезными затруднениями. Во-первых, шарик должен быть укреплен на стержне, проходящем сквозь свободную поверхность металла, обладающего высокими поверхностным натяжением; при этом невозможно учесть действия поверхностной пленки на шток в процессе колебаний, тем более, что поверхностная пленка может оказаться окисленной. Во-вторых, шарик должен тонуть в исследуемом металле, а этого не всегда можно достигнуть без применения дополнительной нагрузки в верхней части штока. При этом способе нагрузки подвесной системы центр тяжести последней повышается и система становится подверженной прецессионным движениям, динамической неустойчивости, что в свою очередь ведет к искаженным значениям декремента затухания.

Метод колеблющегося шара был подвергнут обстоятельному экспериментальному исследованию В. А. Константиновым. Результаты этой работы указывают на ряд существенных факторов, затрудняющих применение данного метода для измерения вязкости расплавленных металлов.

От указанных недостатков свободные методы, основанные на внутренней гидродинамической задаче (жидкость внутри колебательной системы), но математическая теория этих методов еще более сложна. Однако именно вискозиметры, основанные на внутренней задаче, проще всего могут быть использованы в широком интервале изменения температуры и давления.

Необходимость измерения вязкости расплавленных металлов при высоких температурах требует удовлетворительного в экспериментальном отношении метода с разработанной теорией, приводящей к удобным формулам для обработки результатов наблюдений.
Требованию простоты и удобства удовлетворяет метод колебаний цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью, но имеющиеся варианты теории ни в какой мере не могут быть признаны удовлетворительными.

Поэтому пришлось совершенно заново рассмотреть задачу о колебаниях полого цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью, применив отличный от использованных ранее методов ее решения, и получить приемлемые с практической точки зрения формулы, таблицы и графики для обработки результатов непосредственных наблюдений, причем в таком виде, чтобы метод был абсолютным [3].