Вязко-пластичные жидкости и их свойства

Ограничимся рассмотрением лишь одного, наиболее важного и интересного для нефтяной промышленности класса неньютоновских жидкостей - вязко-пластичных.

Подобные жидкости известным образом совмещают в себе свойства как вязкой ньютоновской жидкости, так и твердого пластичного тела.

В идеально пластичном теле при малых действующих нагрузках и, следовательно, незначительных напряжениях возникают упругие деформации. После снятия нагрузки эти деформации исчезают и тело восстанавливает свою первоначальную форму. Когда напряжение достигает некоторого предельного значения , называемого пределом текучести, или начальным напряжением сдвига, пластичное тело начинает течь.

Кривая течения подобного идеального пластичного тела представляет прямую, параллельную оси ординат и отстоящую от нее на расстоянии .

Рис. 7.2. Реограмма вязко-пластичных жидкостей.

Течение вязко-пластичной жидкости, как и идеального пластичного тела, начинается при напряжении, равном начальному напряжению сдвига , и продолжается при напряжениях, изменяющихся по линейному закону, как у обычных ньютоновских жидкостей.

В честь американского ученого Бингама, установившего в 1916 г. эту зависимость и описавшего свойства вязко-пластичной жидкости, ее обычно называют бингамовской жидкостью.

Реологические свойства бингамовской жидкости характеризуются двумя основными параметрами:

- начальным напряжением сдвига  (на реограмме – отрезок оси абсцисс, отсекаемый кривой течения от начала координат);

- бингамовской или пластической вязкостью, определяемой по углу  наклона кривой течения к той же оси.

При гидравлических расчетах используется также понятие эффективной (кажущейся) вязкости, которая в этом случае определяется выражением

Механизм поведения бингамовских жидкостей можно объяснить образованием в покоящейся жидкости жесткой пространственной решетки (например, у парафинистых нефтей из кристаллов парафина), заполненной жидкой фазой (нефтью). Жесткость этой решетки (структуры) такова, что она приводит к полной потере подвижности и достаточна, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему .

Если напряжение превышает то, структура разрушается и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость при напряжениях сдвига . Когда напряжение сдвига становится меньше то, структура снова восстанавливается.

Отметим также, что, если подвергнуть вязко-пластичную жидкость вибрационному воздействию, ее начальное напряжение сдвига можно свести к нулю. Кривая течения при этом сдвинется влево и пройдет через начало координат, т.е. примет форму кривых течения ньютоновских жидкостей.