Основные понятия инженерной реологии и ее основные задачи

 

 

Принадлежность реального тела к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявленная на основе предварительных экспериментов, позволяет верно выбрать прибор для исследования и определить свойства, подлежащие изучению.

Сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств, которые широко используются как для расчёта различных процессов движения в рабочих органах машин, так и для оценки качества пищевых продуктов. В связи с этим наибольшее распространение получили способы классификации пищевых и других реологических тел по сдвиговым характеристикам.

Классификация реологических тел, предложенная Горбатовым А.В. (таблица 1.2), по величине отношения предельного напряжения сдвига к их плотности и ускорению свободного падения [θ0/(ρ∙g)], которое представляет собой меру способности вещества сохранять свою форму, представлена ниже.

 

Таблица 1.2 Классификация тел по физическим параметрам

θ0/(ρ∙g),м	Менее 0,005	0,005 – 0,02	0,02 – 0,15	Более 0,15
Наименование вещества	Структурные жидкости	Жидкие пасты	Густые пасты	Твёрдые тела

 

Б.А. Николаев предложил обобщённую классификацию (от твёрдого до истинно-вязкого состояния) по величине механических свойств: модулей упругости, вязкости и др.. К первой группе относятся твёрдые и твёрдообразные тела (твёрдый жир, целые ткани мяса, сухари, печенье и пр.), ко второй – твёрдо-жидкие (мясной фарш, творог, студни, мучное тесто и пр.), к третьей – жидкообразные и жидкости (расплавленный жир, бульоны, молоко, мёд, вода и пр.).

Представляет интерес классификация реальных тел с помощью степенного уравнения Гершеля – Балкли:

,     (1.7)

где: – коэффициент, пропорциональный вязкости при градиенте скорости, равном единице, Па·сn;

n – индекс течения.

После проведения некоторых преобразований получим следующее выражение:

,     (1.8)

 – эффективная вязкость при  градиенте скорости, равном единице, Па·с;

 – безразмерный градиент  скорости;

m – темп разрушения структуры, индекс течения.

При таком способе классификации строятся зависимости между напряжением сдвига и градиентом скорости (кривые течения) и между эффективной вязкостью и градиентом скорости сдвига (см. раздел 1.3). По характеру полученных кривых выделяют семь видов тел:

1. упругое тело Гука;
2. пластичное тело Сен-Венана;
3. пластично-вязкое тело Шведова-Бингама;
4. псевдопластическое тело;
5. дилатантное тело;
6. истинно-вязкое тело Ньютона;
7. идеальная жидкость (Паскалевская).

Перечисленные выше системы не меняют своих свойств во времени.

Выделяют ещё группу систем с переменными во времени свойствами: тиксотропные, у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость уменьшаются во время механического воздействия, и реопексные, у которых напряжение сдвига и эффективная вязкость увеличиваются со временем в случае воздействия на систему касательных напряжений при постоянном градиенте скорости сдвига.

П.А. Ребиндер и Н.В. Михайлов предложили разделять реологические тела на жидкообразные и твёрдообразные в зависимости от характера кривой ηЭФ(τ) (рис. 1.3) и от периода релаксации (период релаксации – время, в течении которого напряжения в нагруженном теле уменьшается в е = 2,7 раз). К жидкообразным телам относятся ньютоновские жидкости и структурированные системы, не имеющие статического предельного напряжения сдвига (θ0 СТ = 0), т.е. такие системы текут при приложении сколь угодно малого внешнего воздействия.

К твёрдообразным относятся упруго-пластичные и другие тела, обладающие статическим и динамическим предельным напряжением сдвига. Зависимость эффективной вязкости от напряжения или скорости сдвига считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, так как эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами разрушения и восстановления структуры в установившемся потоке. В общем виде кривая течения имеет S-образный характер и отсекает на оси абсцисс отрезок, в пределах которого воздействующие на тело напряжения вызывают только упругие или эластичные деформации.

Важнейшими сдвиговыми свойствами структурированных систем являются пластическая ηПЛ и эффективная вязкость ηЭФ(τ) и период релаксации τР(τ); наибольшая вязкость (η0) неразрушенной структуры при «скольжении» мест контакта и вязкость предельно разрушенной структуры (ηm); модули упругости сдвига (G); пределы текучести условно-статический (τСТ) и динамический – предельное напряжение сдвига (θ0); прочность структуры при упруго-хрупком или эластичном разрыве (τm) и при эластично-вязком разрушении (τr). Эти характеристики показаны на рис. 1.3. Кроме перечисленных выше характеристик на кривой можно выделить следующие зоны: 0A – зона упругих деформаций; АВ – зона начала течения с наибольшей эффективной и пластической вязкостью; ВС – начало зоны лавинообразного разрушения структуры; СD – зона лавинообразного разрушения структуры (течение с наименьшей пластической вязкостью); Е и выше – зона ньютоновского течения с постоянной вязкостью предельно разрушенной структуры.

Кривые течения, как инструмент для описания реологических свойств материалов

 

Наиболее простой метод изучения структурно-механических свойств пищевых материалов заключается в построении кривых кинетики деформации (кривых течения). По этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модули мгновенной упругости и упругого последействия; вязкость релаксационного (течения) и упругого последействия; пределы упругости, текучести и прочности. Величина предела прочности не является инвариантной, так как зависит от механического режима деформирования. Перечисленные константы позволяют объяснить деформационное поведение материала и достаточно полно охарактеризовать его структурно-механические свойства. Получение таких характеристик возможно в процессе изучения реологических свойств пищевых масс, т.е. при изучении процесса их течения под действием постоянного напряжения.

Кривые течения (рис. 1.4) графически изображают законы поведения различных материалов, т.е. зависимости вида:

            (1.9)

         (1.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4. Кривые течения:

1 – ньютоновская жидкость; 2 – дилатантная жидкость;

3 – структурно-вязкая жидкость; 4 – нелинейное пластичное тело;

5 – линейное пластичное тело

Кривые течения (реограммы) ньютоновских жидкостей представляют собой прямую линию 1, проходящую через начало координат. Все кривые течения (2 – 5), которые отклоняются от прямой линии, называют неньютоновскими жидкостями. При этом кривая 2 характеризует дилатантное течение, характерное в основном для концентрированных дисперсных систем, при котором с увеличением скорости деформации наступает «затруднение сдвига», т.е. происходит повышение вязкости; кривая 3 описывает псевдопластическое течение, что характерно для «сдвигового размягчения» вследствие разрушения структуры с увеличением скорости деформации; кривая 4 показывает нелинейное пластическое течение, характерное для большинства пластичных тел после достижения предельного напряжения сдвига θ0. Линейная зависимость 5 характерна для бингамовских тел и соответствует идеальному пластичному течению, после достижения предельного напряжения сдвига θ0.

Тиксотропным системам присуще изотермическое восстановление структуры после разрушения, а также непрерывное её разрушение (до определённого предела) при деформировании (рис. 1.5,а). Реопексные системы способны структурироваться, т.е. образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости (рис. 1.5,б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.5. Кривые течения характеризующие:

а) тиксотропные системы; б) реопексные системы

 

Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем коагуляционного типа является наличие петель гистерезиса (рис. 1.5) при нагрузке и разгрузке. Площадь реограммы между кривой и осью ординат представляет собой (в соответствующем масштабе) удельную мощность (на единицу объёма в Вт/м3). Она складывается из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при этом же градиенте скорости для достижения данной степени разрушения структуры. Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса, характеризуют степень приближения структуры к равновесному состоянию.

Во многих процессах продукт подвергается интенсивным механическим воздействиям (в насосах, мешалках и т.д.), т.е. его структура достигает частичного или практически предельного разрушения. Поэтому при использовании результатов реологических исследований для практических расчетов следует хотя бы приближенно выбрать ту кривую течения, которая соответствует данной степени разрушения. В соответствии с этим при расчете различных процессов необходимо использовать характеристики, определенные в соответствующем интервале напряжений и деформаций. Качественную оценку продукта также необходимо проводить по наиболее существенным для данного процесса характеристикам.

 

Механическое моделирование реологического

поведения пищевых материалов

 

В реологии различают два взаимоисключающих понятия: «твёрдое идеально-упругое тело» и «невязкая жидкость». Под первым понимается такое тело, равновесные форма и напряжение которого достигаются мгновенно. Жидкость называется невязкой, т.е. если жидкость не способна создавать и поддерживать напряжения сдвига. Между предельными состояниями тел – удеальноупругими твёрдыми телами и невязкими жидкостями – в природе существует огромное многообразие тел промежуточного характера.

Рассмотрим основные модели, которые могут встретиться при изучении реологических свойств пищевых масс. При этом необходимо указать, что точные математические закономерности получены только для ньютоновских жидкостей, для всех неньютоновских течений получены только приближённые формулы.

Известны три промежуточные модели идеализированных материалов (таблица 1.3): идеально-упругое тело (Гука); идеально-вязкая жидкость (Ньютона); идеально-пластичное тело (Сен-Венана).

Идеально-упругое тело Гука. В идеально-упругом теле (модель – пружина) энергия, затраченная на деформацию, накапливается и может быть возвращена при разгрузке. Закон Гука описывает поведение кристаллических и аморфных твёрдых тел при малых деформациях, а также жидкостей при изотропном расширении – сжатии.

Идеально-вязкая жидкость Ньютона. Идеально-вязкая жидкость характеризуется тем, что в ней напряжения пропорциональны скорости деформации. Вязкое течение происходит под действием любых сил, как бы малы они не были; однако скорость деформации снижается при уменьшении сил, а при их исчезновении обращается в ноль. Для таких жидкостей вязкость, являющаяся константой, пропорциональна напряжению сдвига.

 

Таблица 1.3. Реологические модели простых идеализированных тел

Модель	Вид модели	Графики течения	Уравнение	Условные обозначения
Гука				–касательное и нормальное напряжения, Па; –угловая и линейная деформации; G, E–модули упругости при угловой и линейной деформации, Па.
Ньютона				–скорость сдвига, с–1; –вязкость при сдвиге, с–1; –скорость продольного течения, с–1; –вязкость при продольном течении (Трутона), Па·с.
Сен-Венана			При         τ < τТ нет деформации; при τ = τТ течение	–предел текучести при сдвиге, Па.

 

Закон Ньютона описывает поведение многих низкомолекулярных жидкостей при сдвиге и продольном течении. Механическая модель ньютоновской жидкости представляет собой демпфер, состоящий из поршня, который перемещается в цилиндре с жидкостью. При перемещении поршня жидкость через зазоры между поршнем и цилиндром протекает из одной части цилиндра в другую. При этом сопротивление перемещению поршня пропорционально его скорости (см. таблицу 1.3).

Идеально пластичное тело Сен-Венана может быть представлено в виде элемента, состоящего из двух прижатых друг к другу пластин. При относительном перемещении пластин между ними возникает постоянная сила трения, не зависящая от сжимающей их силы. Тело Сен-Венана не начнёт деформироваться до тех пор, пока напряжения сдвига не превысят некоторого критического значения – предела текучести τТ (предельного напряжения сдвига), после чего элемент может двигаться с любой скоростью.

Для того чтобы описать реологическое поведение сложного тела в зависимости от свойств его компонентов, можно комбинировать в различных сочетаниях рассмотренные выше модели простейших идеальных тел, каждое из которых обладает лишь одним физико-механическим свойством. Эти элементы могут быть скомбинированы параллельно или последовательно.

Основными сложными моделями являются: упруго-пластичное тело; вязко-упругие тела Кельвина – Фойга и Максвелла; вязко-пластические тела Бингама, Шведова и Шведова – Бингама (рис. 1.6).

Модель упруго-пластического тела (рис. 1.6,а) получается при последовательном соединении упругого элемента Гука с модулем упругости G и пластического элемента Сен-Венана с пределом текучести τт. При τ < τт происходит упругая деформация материала, а при τ = τт – пластическое течение.

Вязко-упругое тело Кельвина – Фойгта представлено механической моделью, полученной при параллельном соединении упругого элемента Гука с модулем упругости G и вязкого элемента Ньютона с вязкостью η (рис. 1.6,б). Под действием растягивающего усилия пружина удлиняется, а поршень будет двигаться в жидкости. Это движение поршня связано с вязким сопротивлением жидкости, ввиду чего полное растяжение пружины наступает не сразу. Когда нагрузка устранена, пружина сжимается до первоначальной длины, но это требует времени вследствие вязкого сопротивления жидкости.

Для написаний математической модели тела Кельвина – Фойгта использут то обстоятельство, что при параллельном соединении элементов деформация сложного тела γКФ равна деформации каждого элемента, а напряжение суммарного элемента τКФ равно сумме напряжений в отдельных элементах τГ и τН. На основании этого имеем систему уравнений:

     (1.11)

Воспользуемся записанными ранее математическими моделями для элементов Гука (Г) и Ньютона (Н):