Ученые нашли способ точнее измерять вязкость воды, спирта и моторного масла

Ньютоновской называют жидкость, при течении которой вязкость зависит от градиента скорости. Это, например, вода, масло, бензин, спирт. Ученые предложили новый подход к определению вязкости таких жидкостей. Они использовали микрофлюидный вискозиметр — прибор для определения динамической или кинематической вязкости вещества, принцип работы которого основан на вихрях Дина — «поперечных» потоках, возникающих в изогнутом канале, по которому движется жидкость. Далее ученые планируют провести дополнительные исследования с неньютоновскими жидкостями, такими как нефть или кровь. Они предположили, что новая методика может успешно применяться в проточных системах, таких как нефтяные скважины или системы переливания крови.

По словам исследователя, многие из перечисленных жидкостей являются неньютоновскими, то есть их вязкость зависит от скорости сдвига. На данный момент научный коллектив провел эксперименты только с ньютоновскими жидкостями: подтвердилось, что предлагаемый подход вполне применим в достаточно широком диапазоне вязкостей.

Вихрями Дина, благодаря которым работает новый точный вискозиметр, в физике называют вторичные потоки в изогнутом канале. Они направлены не вдоль канала, а поперек. Поперечная составляющая потока при изгибе возникает из-за того, что жидкость имеет массу и в середине потока движется быстрее, чем около стенок канала. По первому закону Ньютона, движущиеся частицы жидкости стремятся сохранить направление своего движения вопреки изгибам канала. Из-за этого частицы из серединной струи расталкивают частицы, которые текут около стенки на внешнем крае изгиба. Чем выше сопротивление других частиц к такому расталкиванию, тем выше вязкость этой жидкости, следовательно, при нулевой вязкости можно наблюдать, что частицы жидкости при повороте канала не меняют своей прямолинейной траектории до тех пор, пока не достигнут стенки канала. При высокой же вязкости исследователь зафиксирует движение частиц серединной струи строго вдоль канала.

В ходе эксперимента исследователи СФУ создали поток из двух подкрашенных жидкостей так, чтобы серединная струя потока совпадала с границей окрашивания. По ходу течения жидкостей эта граница меняла свою форму. Такая же картина течения была получена в результате численного моделирования. Это говорит о том, что вычисленные на модели параметры не сильно отличаются от реальных. Значит, некоторые параметры потока можно взять из модели и не пытаться измерить их в эксперименте — с большой долей вероятности они тоже совпадут (например, скорость жидкости или величина градиента давления в какой-то определенной точке внутри канала).

Исследование было поддержано Министерством науки и высшего образования РФ, результаты опубликованы в одном из научных журналов.