Меню

  • На главную

Поиск

  • Разрушение жидкостей

    Posted 8/2/2009 в 9:01:06 ПП

    За верхнюю границу объемной прочности жидкости принимают абсолютную величину максимального отрицательного давления, которое может быть приложено к жидкости. Верхняя граница объемной прочности изменяется в широких пределах для различных жидкостей. Например, при 20 °С эта величина для ртути равна 24 500 кг/см2, для воды — 3250 кг/см2, а для этилового эфира — 600 кг/см2. Эти цифры соответствуют представлению о разрыве или, распаде жидкости, происходящем одновременно во всем объеме. Однако механизм разрушения жидкостей гораздо сложнее. Разрыв жидкости начинается всегда с наиболее «слабого» звена (таковым может быть, например, пузырек газа, содержащийся в объеме жидкости). При растяжении жидкости радиус пузырька и поверхностная энергия жидкости увеличиваются, а давление газа в нем падает.  Таким образом, до тех пор, пока гидростатическое давление не достигнет максимального значения, пузырек газа устойчив. Потеря устойчивости происходит в момент достижения гидростатическим давлением максимума. Механизм разрушения жидкостей аналогичен механизму хрупкого разрушения твердых тел.
    Исследование прочности жидкости показало, что она уменьшается с увеличением радиуса пузырька. Следовательно, опасность представляет газовый пузырек наибольшего радиуса из всех имевшихся до начала растяжения. Эти соображения находят экспериментальные подтверждения в существенном увеличении прочности жидкости при устранении газовых пузырьков путем приложения значительных давлений (Э. Н. Харви, В.  Д.   Макэлрой и  А.  Г. Вители, J.  Appl. Phys., 18:2, 162-176).
    Однако существование маленьких пузырьков газа затруднительно из-за растворимости их в окружающей жидкости, в связи с чем приходится рассматривать пузырьки пара, возникающие в жидкости при благоприятных флуктуациях. Такой пузырек растет, если упругость пара жидкости рп больше внешнего давления р (сумма гидростатического давления и силы поверхностного натяжения), и уменьшается в противоположном случае. Таким образом, разрыв жидкости, подверженной давлению рп — р7 произойдет в момент возникновения пузырьков пара радиуса R > R*.
    Экспериментальные проверки показали, что прочность жидкостей оказывается на 5—6 порядков ниже теоретической прочности. Одной из причин такого расхождения является тот факт, что разрыв жидкостей происходит не в объеме, а на границе раздела жидкости и какой-либо твердой поверхности (взвешенные в жидкости частицы, стенки сосуда и т. д.).
    Расчет прочности при разрыве пузырька пара на границе «твердое тело — жидкость» был выполнен Я. И. Френкелем (1945), который ввел в рассмотрение величину краевого угла (угол смачивания). Как показали расчеты, поверхностная прочность снижается с ростом краевого угла и становится гораздо меньше объемной прочности.
    Объемная прочность жидкостей монотонно уменьшается с повышением температуры, обращаясь в нуль вблизи критической температуры, что довольно хорошо оправдывается экспериментально для большинства жидкостей, кроме воды, для которой максимум объемной прочности достигается при 6° С. Сходство механизмов разрыва жидкостей и твердых тел явилось толчком для проведения ряда экспериментов, которые показали, что при достаточно больших скоростях деформации жидкость ведет себя как твердое тело, способное к хрупкому разрушению.
    М. О. Корнфельд и М. М. Рывкин (1939) провели серию оригинальных опытов на смеси канифоли с трансформаторным маслом, причем желаемая вязкость смеси достигалась варьированием концентрации канифоли. Разрыв струи, вытекающей через дно сосуда, производился при помощи вращающегося копра. Опыты показали, что при малых скоростях наблюдается пластическая (ламинарная) деформация струи, а при скорости удара около 23 м/сек наступает хрупкое разрушение струи, причем явление хрупкого разрушения может наблюдаться при вязкостях порядка 103 пуаз, т. е. в веществах, заведомо считающихся жидкими.
    Отметим здесь также интересные особенности неустойчивого течения полимерных систем, приводящего при определенных условиях к хрупкому разрушению.
    Эксперименты, проведенные над различными полимерными материалами (растворы и расплавы полимеров, эластомеры, резиновые смеси и т. д.) при выдавливании их из гладких насадок, показали, что поверхность струи в зависимости от расхода может изменяться от легкого помутнения (шероховатость) до полного разрыва струи на отдельные куски неправильной формы. Для описания этого явления в литературе применяют различные термины, стараясь подчеркнуть особенность поведения поверхности струи в данном рассматриваемом случае («акулья кожа», «контура апельсина», «разрушение» или «дробление» расплава, «эластичная турбулентность» или «неустойчивое течение»). Под разрушением расплава понимают появление резких колебаний потока на входе в капилляр, приводящих к резкой дефектности. Изучение разрушения расплава имеет большое значение, например, для технологии производства изделий из полимерных материалов, где дефектность струи существенно тормозит производительность таких процессов, как экструзия волокон, листов, кабельной изоляции и т. д.
    В экспериментальных исследованиях течение в основном осуществлялось в изотермических условиях при постоянном объемном расходе или перепаде давления, причем определялось напряжение сдвига и скорость сдвига. Момент наступления неустойчивого режима течения соответствовал некоторым критическим значениям скорости и напряжения сдвига.
    Г. В. Виноградов, М. Л. Фридман и др. (1962) показали, что существуют две критические точки, первая из которых соответствует началу неустойчивого течения, а вторая — появлению на струе (при более высоких скоростях) крупных периодических дефектов. Широким исследованиям подверглось изучение зависимости этих критических величин от различных параметров (таких, как температура, относительная длина капилляра, молекулярные характеристики полимера).
    В большинстве работ, где изучалось влияние температуры, показано, что критическое значение напряжения сдвига мало изменяется при наступлении неустойчивости течения. В этом случае температурная зависимость критической скорости сдвига определялась энергией активации, вычисленной по наибольшей ньютоновой вязкости (Г. В. Виноградов и А. Я. Мал-кин, 1965).
    Исследование влияния длины капилляра на уловия наступления неустойчивости показало, что критические значения скорости и напряжения сдвига возрастают с увеличением длины при постоянном давлении, что, по мнению многих авторов, связано с эффектом возмущающего действия входа.
    При построении теоретических схем описанного выше явления было учтено большое число экспериментальных фактов, показывающих, что неустойчивое течение полимеров во многих случаях связано с их эластичностью. Предположение о главной роли высокоэластичности при наступлении неустойчивости течения было высказано впервые Дж. П. Торделлой (Trans. Soc. RheoL, 1957, v. 1, p. 203—212) и Э. Б. Бегли (Trans. Soc. Rheol., 1961, v. 5, p. 355-368).
    Г. В. Виноградов, А. И. Леонов и А. Я. Малкин (1963), не рассматривая детальный механизм неустойчивости, предложили в качестве условия наступления неустойчивости достижение определенного соотношения между силами упругости и вязкости в потоке. Для системы с одним временем релаксации этот критерий представляет собой произведение характерного времени релаксации на скорость сдвига, причем в простейшем случае он равен критическому значению упругой деформаций. Экспериментальные исследования, проведенные для различных полимерных систем, показали, что наступление неустойчивости удовлетворительно описывается этим критерием. Таким образом, высокоэластичная деформация, накопленная в потоке, определяет критические условия течения.
    В последнее время в работах В. А. Городцова, А. В. Каракина, А. И. Леонова и С. А. Регирера сделаны попытки получить решение проблемы устойчивости течения упруго-вязких сред и получения решения отдельных частных задач.
    Отметим, что при определенных условиях была замечена некоторая аналогия между явлением разрушения хрупких тел и наступлением неустойчивости течения.
    Дж. Ф. Хаттон (Nature, 1963, 200 : 4907, 646—648; Proc. Roy. Soc. London, 1965, A287 : 1409, 222—239) предложил критерий наступления неустойчивости течения, аналогичный критерию Грифита при образовании трещин в упругой среде. Однако Э. Б. Бегли с соавторами (Nature, 1964, 203 : 4941, 175—176) подверг критике это положение, так как критерий Грифита не учитывает диссипацию энергии при необратимых деформациях, играющую существенную роль для упруго-вязких сред.

    Тэги: ,