Viscosité

Définition

La viscosité est une propriété de fluide qui décrit la résistance interne d’un fluide à l’écoulement ou à la déformation et constitue l’une des propriétés de fluide les plus importantes à prendre en compte lors de la conception d’un mélangeur. Il existe deux mesures courantes de la viscosité, la viscosité dynamique (µ) et la viscosité cinématique (ν). La relation entre la viscosité dynamique et la viscosité cinématique est indiquée ci-dessous:


Latex formula ν – Viscosité cinématique (cSt)
µ – Viscosité dynamique (cP)
ρ – Densité (g/cm3)

La viscosité dynamique est la plus pertinente pour les applications de mélange car elle décrit la résistance du fluide à l’écoulement sous contrainte de cisaillement, tandis que la viscosité cinématique décrit la résistance à l’écoulement sous l’effet de la gravité.

Fluides newtoniens

Dans les fluides newtoniens, la viscosité dynamique est décrite comme le rapport entre la contrainte de cisaillement et le gradient de vitesse dans un fluide. La viscosité reste constante en cas de contrainte de cisaillement variable et au fil du temps. La relation est illustrée dans l’équation ci-dessous:


Latex formula τ – Contrainte de cisaillement
µ – Viscosité dynamique
du/dy – Gradient de vitesse

La majorité des fluides peuvent être modélisés comme des fluides newtoniens et c’est le type de fluide que nous rencontrons dans la majorité des applications de mélange.

Fluides non newtoniens

D’autres types de fluides peuvent présenter un comportement non newtonien dans lequel la viscosité n’est pas une valeur constante et varie en réponse à une autre variable.
Certains d’entre eux sont énumérés ci-dessous:

  • Les  fluides pseudo-plastiques ou amincissants par cisaillement sont le type de fluide non newtonien le plus répandu.
    Dans ces fluides, la viscosité diminue avec l’augmentation de la contrainte de cisaillement appliquée.
  • Les  fluides thixotropes se comportent comme des fluides pseudo-plastiques, sauf que la viscosité diminue également avec le temps sous l’effort de cisaillement.
  • Les  fluides dilatants et préoptiques sont l’équivalent des fluides pseudo-plastiques et thixotropes,
    à la différence que leur viscosité augmente respectivement avec la vitesse et le temps de cisaillement.
  • Les  fluides viscoélastiques présentent une combinaison de propriétés visqueuses et élastiques lorsqu’ils sont soumis à des contraintes.
    Cela signifie qu’ils se comportent partiellement comme un solide élastique et ont tendance à revenir à leur forme initiale après déformation.
  • Les plastiques Bingham  ont une contrainte de cisaillement minimale requise avant tout écoulement du matériau.

Certains fluides non newtoniens courants sont les peintures à base d’eau, les solutions de polymères et de nombreux produits alimentaires et de soins personnels tels que le dentifrice et le ketchup à la tomate.

Mesurer la viscosité

La viscosité est mesurée avec un instrument appelé viscosimètre, ou rhéomètre, et il en existe de nombreux types, dont les plus courants sont expliqués ci-dessous:

VISCOMÈTRE DE LA SPHÈRE EN CHUTE

Viscomètre à sphère en chute

Les viscosimètres du type à sphère descendante se composent d’une petite sphère et d’un tube de verre fixe rempli du fluide à tester. On laisse la sphère traverser le fluide et on mesure le temps nécessaire pour passer entre deux points. En utilisant la loi de Stokes, la viscosité dynamique peut ensuite être calculée en utilisant la densité du fluide et de la sphère.

Coupes de viscosité

Les coupes à viscosité sont un type d’appareil de mesure de la viscosité consistant en une coupe avec une ouverture de taille précise dans la base. La tasse est remplie du liquide à mesurer et le temps pris pour que le liquide s’écoule de la tasse à travers l’ouverture est pris. À partir de cette valeur temporelle, la viscosité cinématique peut être calculée à l’aide de formules de conversion ou de tableaux fournis par le fabricant.

Les gobelets à viscosité sont couramment utilisés dans les industries des peintures et des revêtements.


VISCOMETRE DE ROTATION VISCOSITÉ COUPES

Viscomètre Rotationnel

Un type de rhéomètre plus sophistiqué est le viscosimètre à axe rotatif. Ces instruments fonctionnent selon le principe de Searle, selon lequel le couple requis pour faire tourner une broche dans chaque fluide à une certaine vitesse est proportionnel à la viscosité du fluide.

La vitesse de la broche en rotation peut généralement être modifiée, ce qui a pour effet de faire varier la contrainte de cisaillement subie par le fluide. Cela permet d’utiliser des viscosimètres rotatifs pour mesurer le profil de viscosité de fluides non newtoniens qui présentent des viscosités différentes à différents niveaux de contrainte de cisaillement.

Voir le tableau

Effet sur le mélange

La viscosité d’un fluide est l’une des considérations les plus importantes lors de la conception d’un mélangeur pour une application donnée.

Plus la viscosité du fluide est importante, plus le mélange de fluide nécessite de l’énergie, ce qui signifie des turbines plus grandes et des moteurs plus puissants pour les faire tourner. Pour les matériaux très visqueux, il peut être nécessaire d’utiliser une turbine de type à jeu rapproché, telle qu’une turbine de type porte ou à spirale, pour obtenir un mélange adéquat dans l’ensemble du volume de la citerne.

Mélange laminaire et turbulent

Le mélange à faible viscosité a presque toujours lieu dans des conditions turbulentes.
Cela signifie que le mélange est contrôlé par des forces d’inertie plutôt que par diffusion moléculaire, et que le mélange est obtenu par les nombreux tourbillons et tourbillons créés par la turbine du mélangeur.

Les turbines telles que les hydrofoils et les turbines à pales inclinées sont utilisées pour le mélange à faible viscosité car elles fournissent des capacités de pompage importantes et créent de grandes turbulences dans le récipient de mélange.

D’autre part, le mélange à haute viscosité a lieu principalement dans le régime d’écoulement laminaire où les forces visqueuses dominent, atténuant toute turbulence et où la diffusion moléculaire est la principale source de mélange. Pour faciliter la diffusion moléculaire, le but du mélange en régime laminaire est de «couper et plier» le fluide de manière à ce que la surface interfaciale soit plus grande entre les différents fluides pour que la diffusion ait lieu.

Ici, les roues à ailettes ou à vis sont utilisées car la grande surface
exposée au fluide contribue à augmenter l’action de «coupe et de pliage»
sur l’ensemble du volume du réservoir.

Le graphique ci-dessous montre les plages de viscosité appropriées pour différents types de roues standard.

Parcelle de types d’impulseurs et de leurs viscosités de fonctionnement appropriées
LOT DE TYPES D'HÉLICES PAR RAPPORT À LEURS VISCOSITÉS OPÉRATIONNELLES APPROPRIÉES

Mélange non newtonien

Obtenir un mélange adéquat dans des fluides non newtoniens peut être difficile. Si vous avez une application de mélange non newtonienne et que vous avez besoin d’aide pour choisir un agitateur approprié, contactez-nous et l’un de nos ingénieurs d’application se fera un plaisir de vous aider.

Mélangeurs Statiques

L’effet de la viscosité sur le mélange dans un mélangeur statique en ligne est similaire à celui sur les mélangeurs à réservoir agités. Pour les applications à faible viscosité, le mélange est dominé par les tourbillons turbulents, tandis que les applications à viscosité élevée sont toujours dominées par la diffusion moléculaire et reposent sur la même méthode de mélange «en coupe» que les mélangeurs à réservoir agités décrits ci-dessus.

Différents types d’élément de mélange sont utilisés pour les fluides de basse et haute viscosité et suivent généralement les mêmes principes que les roues de réservoirs agitées. Plus la viscosité est élevée, plus les éléments du mélangeur placés dans le tuyau sont grands et complexes, afin de garantir un mélange homogène sur tout le diamètre du tuyau, ce qui augmente la perte de charge dans le mélangeur. Cela augmente la puissance requise de la pompe, de sorte que, comme dans les mélangeurs à réservoir agités, il faut plus de puissance pour mélanger des fluides de viscosité élevée.

ÉLÉMENT DE MÉLANGEUR STATIQUEÉLÉMENT DE MÉLANGEUR STATIQUE
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