Методология исследований поверхностных и реологических свойств жидкостей на основе компьютерных моделей

• Автор: Коренченко, Анна Евгеньевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 212 с. : ил.

Введение.

Глава I. Обзор литературы.

1.1 Современные методы определения физикохимических свойств жидкостей.

1.2 Необходимые направления дальнейших исследований.

Глава II. Численное исследование движения крутильного вискозиметра, наполненного ньютоновской жидкостью
2.1. Достоверность значений коэффициента вязкости, полученного из анализа движения крутильного вискозиметра.

2.2. Особенности установления колебаний в крутильном вискозиметре

2.3. Естественная конвекция в рабочем объеме крутильного вискозиметра

Выводы к главе II

Глава III. Определение вязкопластических свойств жидкости в экспериментах с ротационным и крутильным вискозиметрами
3.1. Численная модель нестационарного течения вязкопластической жидкости в ротационном вискозиметре.
3.2. Влияние вязкопластических свойств жидкости н параметрыкрутильныхколебаний
3.3. Оптимизация эксперимента по идентификации вязкопластических материалов и определению предела текучести.
Выводы к главе III
Глава IV. Определение вязкоупругих свойств жидкости в экспериментах с вращающим диском и крутильным вискозиметром
4.1. Гидродинамические явления при вращении диска в ньютоновской жидкости
4.2. Гидродинамические явления при вращении диска на поверхности вязкоупругой жидкости
4.3. Измерение модуля сдвига жидкости в экспериментах с крутильным вискозиметром.
Выводы к главе IV
Глава V. Определение физикохимических свойств жидкостей но наблюдениям за формой капли.
5.1. Определение плотности и поверхностного и межфазного натяжения жидкости из анализа равновесной формы капли
5.2. Определение вязкости жидкости из анализа свободных колебаний капли, зажатой между двумя плоскостями.
5.3. Определение вязкости жидкости из анализа вынужденных колебаний капли, зажатой между двумя плоскостями.
Выводы к главе V.
Заключение
Список литературы


Поведение неньютоновских жидкостей в крутильном вискозиметре исследовалось в в рамках модели вязкоупругой жидкости Фойхта, которая обычно используется для описания сильновязких жидкостей и не пригодна для жидких металлов. Слабые вязкоупругие и вязкопластические свойства жидкостей проявляются при малых скоростях деформации и поэтому метод крутильных колебаний должен быть особенно чувствительным к ним, как и другие методы, в которых происходит затухание движения вследствие вязкого трения. Это еще, например, метод, в котором наблюдается затухающее вращение диска в жидкости, заполняющей цилиндрический сосуд вращательный вискозиметр и методы, в которых изучаются свободные колебания капли жидкости ,. В ряде экспериментальных работ докладывают об интервалах температур с повышенным статистическим разбросом результатов шумом, которые соотносят с шумоиндуцированными фазовыми переходами в метастабильных системах . Однако существуют иные причины, которые могут вызвать разброс данных при высокотемпературных измерениях. Одной из таких причин может быть влияние внешних факторов, например, неизбежной температурной конвекции, возникающей в рабочем объеме вискозиметра при измерении вязкости высокотемпературных расплавов. Взаимодействие набегающего потока с подвесной системой вискозиметра может привести к возмущениям ее движения, изменяющимся вместе с изменением характера и параметров потока и тогда крутильные колебания могут испытывать влияние со стороны конвективных течений инертного газа, обычно заполняющего рабочую камеру вискозиметра. Перестройка конвективных режимов с изменением разности температур есть известный и проверенный факт . При смене режима конвекции следует ожидать возрастания шума вследствие хаотичности движений потерявшего устойчивость течения. Существуют методы определения неньютоновских свойств жидкостей, не имеющие достаточного математического обоснования. Так, в эксперименте по исследованию затухающего вращения диска, погруженного в жидкость , наблюдаются возвратные движения диска при его вращении в воде и расплаве В3. Авторы указывают на проявление в таком эксперименте механической упругости жидкости к сдвиговым деформациям, хотя возможность возникновения возвратных течений нельзя исключать даже в случае ньютоновской жидкости, учитывая нестационарность, трехмерность и нелинейность задачи. Окончательный вывод невозможен без проведения дополнительных исследований, а математическое решение этой задачи возможно лишь численными методами. В работе приведены данные о поверхностном натяжении жидкого кремния, полученные в экспериментальных исследованиях за последние лет рис. Требования к качеству монокристаллического кремния в микроэлектронике очень высоки и для получения однородного монокристалла поверхностное натяжение жидкого кремния вблизи температуры кристаллизации имеет существенное значение. Как видно из рисунка, разброс экспериментальных значений поверхностного натяжения кремния составляет более , это намного превышает заявленную авторами точность измерений и лишь немного меньше разброса значений вязкости
Рис. Кздк Р. Н. I л, о Кчпгегу . Ш 2 о Гсдм П. В и др. Ш V ШЯШяч1ЮМ нгр. ЛЯ Да миле И К. V, др. Баум В и др. I аэдпс Ф. Н др. Елтк а. П, и лр. С . В Ю. Гкт З. У.е1а1 Натйу л. С. 4 6 Ниж. В.И н др. Ю СНВД л. Чазк5 II а И к 93 3 РггуЬпгохк М е1а. Пго . V К. Г 5 К мига 5. А i . ЦЫул Т. РиД Н. Ыт 0. V илп Р. Данные рис. Такую возможность предлагают исследования колеблющейся стесненной капли. Эксперименты с колеблющейся каплей часто используются для определения вязкости и поверхностного натяжения расплавов. Известно решение, полученное Релеем i для малых колебаний сферической капли идеальной жидкости в отсутствие объемных сил. Xй 2Г
где п 2 натуральное число, коэффициент поверхностного натяжения, М масса капли. Основная частота колебаний получается при п2, при этом капля совершает продольные колебания, периодически удлиняясь и укорачиваясь, что вызывает попеременные увеличение и уменьшение площади ее поперечного сечения. Следуя формуле 1, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения, исходя из измерений частоты колебаний капли.