Вязкость - физическая величина, которая характеризует внутреннее сопротивление движению (течению) флюида (жидкого или газообразного). Вязкостью называют внутреннее трение на уровне межмолекулярных «смежных слоев» жидкости или газа. Она измеряется динамической вязкостью (абсолютной или молекулярной динамической вязкостью) и имеет размерность Па-с - Паскаль-секунда (или 1 кг-с/м2 = 9,81 Па-с). Динамическая вязкость не поддается теоретическому расчету, а определяется только экспериментально. Динамическая вязкость жидкостей колеблется в широких пределах. Так, при 20 °С вязкость воды около 1 сантипуаз (1 сП), а глицерина - около 1500 сП, в то время как вязкость воздуха примерно в 60 раз меньше вязкости воды (1 сП = 1 мПа-с - миллипаскаль-секунда). Вязкость - один из важнейших показателей гидравлики (перемещения, транспортировки) жидкостей, а также товарных и эксплутационных характеристик топлив, масел, битумов. Вязкость сильно зависит от температуры, она определяет затраты энергии на перекачку жидкостей, смазывающую способность масел и смазок и др.
Существует большое число экспериментальных методов определения вязкости с помощью различных вискозиметров (ГОСТ 33-2000, ГОСТ 1929-51) и эмпирических формул для разных температур и давлений. В инженерных расчетах часто используют кинематическую вязкость как отношение динамической вязкости к абсолютной плотности (м2/с или мм2/с; 1 • 10 6 м2/с = 1 мм2/с = 1 сСт). Для характеристики нефтей и нефтепродуктов используют обычно кинематическую вязкость, значение которой находят экспериментально при стандартных температурах 20, 50 и 100 “С (для более вязких фракций). В нефтепереработке иногда применяют условную вязкость, измеряемую в градусах ВУ (ГОСТ 6258-85), которая представляет собой отношение времени истечения нефтепродукта из вискозиметра при некоторой температуре к времени истечения равного объема дистиллированной воды при 20 °С. Для оценки вязкостно-температурных свойств масел широко используется индекс вязкости У. Дина и Т. Дэвиса (ИВ) по ГОСТ 25371-82, определяемый по двум значениям кинематической вязкости (при 50 или 40 и 100 °С) для интервала изменения ИВ по принятой шкале оценки от 0 до 100. Индекс вязкости входит в стандарты на масла; чем он больше, тем выше качество масла. Высокий ИВ указывает на сравнительно незначительное изменение вязкости в широком диапазоне температур. В настоящее время значение ИВ для современных высокоиндексных масел достигает 130-200 (иногда ИВ может быть 250 и выше).
Вязкости, вязкостно-температурным свойствам масел, методам их определения, классификации масел посвящен значительный объем работ в области реологии и трибологии. Например, предложено только около 50 методов выражения вязкостно-температурных свойств масел в виде единого показателя или простой функции, однако многие из них не являются строго удовлетворительными, включая и наиболее широко используемый на практике индекс вязкости Дина и Дэвиса. С учетом этого и исходя из условий сохранения практически удобной и коммерческой оценки способов производства и качества масел, еще в 1970-х годах был принят стандарт ASTM D2270-64 для определения ИВ масел от 0 до 100 (метод А) и выше (метод В). На основе расчетов по методу В построена удобная номограмма для определения ИВ масел от 100 до 300 по показателям кинематической вязкости при 40 и 100 °С [1]. В сфере производства и потребления масел ИВ служит обобщенным критерием технического совершенства масляных производств и коммерческой мерой качества масел.
В качестве справочных данных приведены значения кинематической вязкости для ряда нефтей, нефтяных фракций и масел.
Величина вязкости наиболее сильно (по сравнению с другими свойствами) влияет на конечные показатели расчета гидромеханических и тепловых процессов. Вместе с тем, определение достоверных значений вязкости сложных газовых и особенно жидких смесей для различных давлений и температур остается достаточно ненадежным. Это характерно для так называемых ньютоновских жидкостей (газов и собственно жидкостей), вязкость которых прямо пропорциональна градиенту скорости потока. Ньютоновские жидкости охватывают большой класс веществ и их смесей, имеющих сравнительно небольшую молекулярную массу - до 500-600 (чистые газы и жидкости, индивидуальные углеводороды, нефтяные фракции).
Для неньютоновских жидкостей характерно одновременное проявление свойств, типичных для жидкости и твердого тела. Для них зависимость вязкости от градиента скорости потока становится еще более сложной, нелинейной функцией. Поэтому вводится понятие кажущейся (эффективной) вязкости, и ее определение имеет свои особенности для каждого из разных классов и групп неньютоновских жидкостей.
1. Реологически стационарные жидкости:
- бингамовские (пластичные) жидкости (густые суспензии и шламы, буровые растворы, масляные краски и т.п.);
- псевдопластичные жидкости (растворы высокополимеров - целлюлозы, полиэтилены, полистиролы и т.п.);
- дилатантные (расширяющиеся) жидкости (суспензии с большим содержанием твердой фазы, суспензии крахмала, различные клеи и т.п.).
2. Реологически нестационарные жидкости:
- тиксотропные жидкости (многие красители);
- реопектические жидкости (суспензии бентонитовых глин, некоторые коллоидные растворы).
3. Вязкоупругие (максвелловские) жидкости (смолы, высоковязкие эмульсии и суспензии, пасты).
Изучение неньютоновских жидкостей является предметом науки о деформациях и течении - реологии. Исследование реологических характеристик было вызвано созданием и последующим бурным ростом промышленных производств полимерных и пластических материалов, синтетических каучуков и красителей и других веществ.