Le coefficient de viscosité est un paramètre clé d'un fluide de travail ou d'un gaz. En termes physiques, la viscosité peut être définie comme le frottement interne causé par le mouvement des particules qui composent la masse d'un milieu liquide (gazeux), ou, plus simplement, la résistance au mouvement.
Qu'est-ce que la viscosité
L'expérience empirique la plus simple pour déterminer la viscosité: la même quantité d'eau et d'huile est versée simultanément sur une surface inclinée lisse. L'eau s'écoule plus vite que l'huile. Elle est plus fluide. Une huile en mouvement est empêchée de s'écouler rapidement par le frottement plus élevé entre ses molécules (résistance interne - viscosité). Ainsi, la viscosité d'un liquide est inversement proportionnelle à sa fluidité.
Rapport de viscosité: formule
Sous une forme simplifiée, le processus de déplacement d'un fluide visqueux dans une canalisation peut être considéré sous la forme de couches planes parallèles A et B de même surface S, dont la distance est h.
Ces deux couches (A et B) se déplacent à des vitesses différentes (V et V+ΔV). La couche A, qui a la vitesse la plus élevée (V+ΔV), implique la couche B, qui se déplace à une vitesse inférieure (V). Dans le même temps, la couche B a tendance à ralentir la vitesse de la couche A. La signification physique du coefficient de viscosité est que le frottement des molécules, qui sont la résistance des couches d'écoulement, forme une force qu'Isaac Newton a décrite par le formule suivante:
F=µ × S × (ΔV/h)
Ici:
- ΔV est la différence entre les vitesses des couches d'écoulement de fluide;
- h – distance entre les couches d'écoulement de fluide;
- S – surface de la couche d'écoulement de fluide;
- Μ (mu) - un coefficient dépendant de la propriété du liquide, appelé viscosité dynamique absolue.
En unités SI, la formule ressemble à ceci:
µ=(F × h) / (S × ΔV)=[Pa × s] (Pascal × seconde)
Ici F est la force de gravité (poids) de l'unité de volume du fluide de travail.
Valeur de viscosité
Dans la plupart des cas, le coefficient de viscosité dynamique est mesuré en centipoises (cP) conformément au système d'unités CGS (centimètre, gramme, seconde). En pratique, la viscosité est liée au rapport de la masse d'un liquide à son volume, c'est-à-dire à la densité du liquide:
ρ=m / V
Ici:
- ρ – densité du liquide;
- m – masse de fluide;
- V est le volume de liquide.
La relation entre la viscosité dynamique (Μ) et la densité (ρ) est appelée viscosité cinématique ν (ν – en grec –nu):
ν=Μ / ρ=[m2/s]
Au fait, les méthodes de détermination du coefficient de viscosité sont différentes. Par exemple, la viscosité cinématique est toujours mesurée conformément au système CGS en centistokes (cSt) et en unités fractionnaires - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Détermination de la viscosité de l'eau
La viscosité de l'eau est déterminée en mesurant le temps nécessaire au fluide pour s'écouler à travers un tube capillaire calibré. Cet appareil est calibré avec un fluide étalon de viscosité connue. Pour déterminer la viscosité cinématique, mesurée en mm2/s, le temps d'écoulement du fluide, mesuré en secondes, est multiplié par une constante.
L'unité de comparaison est la viscosité de l'eau distillée, dont la valeur est presque constante même lorsque la température change. Le coefficient de viscosité est le rapport entre le temps en secondes nécessaire à un volume fixe d'eau distillée pour s'écouler d'un orifice calibré et celui du fluide testé.
Viscosimètres
La viscosité est mesurée en degrés Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") ou degrés Redwood (°RJ) selon le type de viscosimètre utilisé. Les trois types de viscosimètres ne diffèrent que par la quantité de fluide qui s'écoule.
Viscosimètre mesurant la viscosité dans l'unité européenne degré Engler (°E), calculé200cm3 milieu liquide sortant. Un viscosimètre mesurant la viscosité en secondes universelles Saybolt (« SUS » ou « SSU » utilisé aux États-Unis) contient 60 cm3 du fluide d'essai. En Angleterre, où les degrés Redwood (°RJ) sont utilisés, le viscosimètre mesure la viscosité de 50 cm3 fluide. Par exemple, si 200 cm3 d'une certaine huile s'écoulent dix fois moins vite que le même volume d'eau, alors la viscosité Engler est de 10°E.
La température étant un facteur clé dans la modification du coefficient de viscosité, les mesures sont généralement effectuées d'abord à une température constante de 20 °C, puis à des valeurs plus élevées. Le résultat est donc exprimé en ajoutant la température appropriée, par exemple: 10°E/50°C ou 2,8°E/90°C. La viscosité d'un liquide à 20°C est supérieure à sa viscosité à des températures plus élevées. Les huiles hydrauliques ont les viscosités suivantes à leurs températures respectives:
190 cSt à 20°C=45,4 cSt à 50°C=11,3 cSt à 100°C.
Traduire les valeurs
La détermination du coefficient de viscosité se produit dans différents systèmes (américain, anglais, GHS), et il est donc souvent nécessaire de transférer des données d'un système dimensionnel à un autre. Pour convertir les valeurs de viscosité des fluides exprimées en degrés Engler en centistokes (mm2/s), utilisez la formule empirique suivante:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Par exemple:
- 2°E=7,6 × 2 × (1-1/23)=15,2 × (0,875)=13,3 cSt;
- 9°E=7,6 × 9 × (1-1/93)=68,4 × (0,9986)=68,3 cSt.
Pour déterminer rapidement la viscosité standard de l'huile hydraulique, la formule peut être simplifiée comme suit:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Ayant une viscosité cinématique ν en mm2/s ou cSt, vous pouvez la convertir en un coefficient de viscosité dynamique Μ en utilisant la relation suivante:
M=ν × ρ
Exemple. En résumant les différentes formules de conversion des degrés Engler (°E), des centistokes (cSt) et des centipoises (cP), supposons qu'une huile hydraulique de masse volumique ρ=910 kg/m3 a une viscosité cinématique de 12° E, qui en unités de cSt est:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/s.
Parce que 1cSt=10-6m2/s et 1cP=10-3N×s/m2, alors la viscosité dynamique sera:
M=ν × ρ=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Facteur de viscosité du gaz
Il est déterminé par la composition (chimique, mécanique) du gaz, l'effet de la température, de la pression et est utilisé dans les calculs de dynamique des gaz liés au mouvement du gaz. En pratique, la viscosité des gaz est prise en compte lors de la conception des développements de champs de gaz, où les changements de coefficient sont calculés en fonction des changements de composition du gaz (particulièrement important pour les champs de gaz à condensats), de température et de pression.
Calculez la viscosité de l'air. Les processus seront similaires àles deux flux évoqués ci-dessus. Supposons que deux flux de gaz U1 et U2 se déplacent en parallèle, mais à des vitesses différentes. La convection (pénétration mutuelle) des molécules se produira entre les couches. En conséquence, l'élan du flux d'air qui se déplace plus rapidement diminuera et celui qui se déplace initialement plus lentement s'accélérera.
Le coefficient de viscosité de l'air, selon la loi de Newton, s'exprime par la formule suivante:
F=-h × (dU/dZ) × S
Ici:
- dU/dZ est le gradient de vitesse;
- S – forcer la zone d'impact;
- Coefficient h - viscosité dynamique.
Indice de viscosité
L'indice de viscosité (VI) est un paramètre qui corrèle les changements de viscosité et de température. Une corrélation est une relation statistique, dans ce cas deux quantités, dans laquelle un changement de température accompagne un changement systématique de viscosité. Plus l'indice de viscosité est élevé, plus la variation entre les deux valeurs est faible, c'est-à-dire que la viscosité du fluide de travail est plus stable avec les changements de température.
Viscosité de l'huile
Les bases des huiles modernes ont un indice de viscosité inférieur à 95-100 unités. Par conséquent, dans les systèmes hydrauliques des machines et des équipements, des fluides de travail suffisamment stables peuvent être utilisés, ce qui limite le changement important de viscosité dans des conditions de températures critiques.
Un coefficient de viscosité "favorable" peut être maintenu en introduisant dans l'huile des additifs spéciaux (polymères) obtenus lors de la distillation de l'huile. Ils augmentent l'indice de viscosité des huiles pourcompte de limiter l'évolution de cette caractéristique dans l'intervalle admissible. En pratique, avec l'introduction de la quantité requise d'additifs, le faible indice de viscosité de l'huile de base peut être augmenté à 100-105 unités. Cependant, le mélange ainsi obtenu détériore ses propriétés à haute pression et charge thermique, réduisant ainsi l'efficacité de l'additif.
Dans les circuits de puissance des systèmes hydrauliques puissants, des fluides de travail avec un indice de viscosité de 100 unités doivent être utilisés. Les fluides de travail avec des additifs qui augmentent l'indice de viscosité sont utilisés dans les circuits de commande hydrauliques et autres systèmes fonctionnant dans la plage de basse / moyenne pression, dans une plage de température limitée, avec de petites fuites et en fonctionnement discontinu. Avec l'augmentation de la pression, la viscosité augmente également, mais ce processus se produit à des pressions supérieures à 30,0 MPa (300 bars). En pratique, ce facteur est souvent négligé.
Mesure et indexation
Conformément aux normes internationales ISO, le coefficient de viscosité de l'eau (et des autres fluides liquides) est exprimé en centistokes: cSt (mm2/s). Les mesures de viscosité des huiles de process doivent être effectuées à des températures de 0°C, 40°C et 100°C. Dans tous les cas, dans le code de qualité d'huile, la viscosité doit être indiquée par un chiffre à une température de 40 ° C. Dans GOST, la valeur de viscosité est donnée à 50°C. Les nuances les plus couramment utilisées en hydraulique technique vont de ISO VG 22 à ISO VG 68.
Les huiles hydrauliques VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 à 40°C ont des valeurs de viscosité correspondant à leur marquage: 22, 32, 46, 68 et 100 cSt. Optimalla viscosité cinématique du fluide de travail dans les systèmes hydrauliques varie de 16 à 36 cSt.
L'American Society of Automotive Engineers (SAE) a établi des plages de viscosité à des températures spécifiques et leur a attribué les codes appropriés. Le nombre suivant le W est la viscosité dynamique absolue Μ à 0°F (-17,7°C) et la viscosité cinématique ν a été déterminée à 212°F (100°C). Cette indexation s'applique aux huiles toutes saisons utilisées dans l'industrie automobile (transmission, moteur, etc.).
Effet de la viscosité sur l'hydraulique
La détermination du coefficient de viscosité d'un liquide n'est pas seulement d'intérêt scientifique et pédagogique, mais a également une valeur pratique importante. Dans les systèmes hydrauliques, les fluides de travail transfèrent non seulement l'énergie de la pompe aux moteurs hydrauliques, mais lubrifient également toutes les parties des composants et éliminent la chaleur générée par les paires de friction. La viscosité du fluide de travail qui n'est pas appropriée pour le mode de fonctionnement peut sérieusement nuire à l'efficacité de tous les systèmes hydrauliques.
La viscosité élevée du fluide de travail (huile de très haute densité) entraîne les phénomènes négatifs suivants:
- Une résistance accrue à l'écoulement du fluide hydraulique provoque une chute de pression excessive dans le système hydraulique.
- Ralentissement de la vitesse de commande et des mouvements mécaniques des actionneurs.
- Développement de cavitation dans la pompe.
- Évacuation d'air nulle ou trop faible de l'huile du réservoir hydraulique.
- Remarquableperte de puissance (diminution de l'efficacité) de l'hydraulique due aux coûts énergétiques élevés pour surmonter le frottement interne du fluide.
- Augmentation du couple du moteur principal de la machine causée par l'augmentation de la charge de la pompe.
- Augmentation de la température du fluide hydraulique due à une friction accrue.
Ainsi, la signification physique du coefficient de viscosité réside dans son influence (positive ou négative) sur les composants et mécanismes des véhicules, machines et équipements.
Perte de puissance hydraulique
La faible viscosité du fluide de travail (huile de faible densité) entraîne les phénomènes négatifs suivants:
- Diminution de l'efficacité volumétrique des pompes en raison de l'augmentation des fuites internes.
- Augmentation des fuites internes dans les composants hydrauliques de l'ensemble du système hydraulique - pompes, vannes, distributeurs hydrauliques, moteurs hydrauliques.
- Usure accrue des unités de pompage et blocage des pompes en raison d'une viscosité insuffisante du fluide de travail nécessaire pour assurer la lubrification des pièces frottantes.
Compressibilité
Tout liquide se comprime sous pression. En ce qui concerne les huiles et liquides de refroidissement utilisés en mécanique hydraulique, il a été empiriquement établi que le processus de compression est inversement proportionnel à la masse de liquide par volume. Le taux de compression est plus élevé pour les huiles minérales, nettement plus faible pour l'eau et beaucoup plus faible pour les fluides synthétiques.
Dans les systèmes hydrauliques simples à basse pression, la compressibilité du fluide a un effet négligeable sur la réduction du volume initial. Mais dans les machines puissantes avec une hydraulique élevéepression et de gros vérins hydrauliques, ce processus se manifeste sensiblement. Pour les huiles minérales hydrauliques à une pression de 10,0 MPa (100 bars), le volume diminue de 0,7 %. Dans le même temps, la variation du volume de compression est légèrement affectée par la viscosité cinématique et le type d'huile.
Conclusion
La détermination du coefficient de viscosité vous permet de prédire le fonctionnement des équipements et des mécanismes dans diverses conditions, en tenant compte des modifications de la composition d'un liquide ou d'un gaz, de la pression, de la température. En outre, le contrôle de ces indicateurs est pertinent dans le secteur pétrolier et gazier, les services publics et d'autres industries.
