Интерактивная модель реометра "RHEOLAB QC"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интерактивная модель реометра «RHEOLAB QC»

Разработчики

Гилев В.Г.

Кучумов Р.М.

Функциональное назначение программы, область применения, ее ограничения

Реометр «RheoLab QC» производства австрийской компании «“Anton Paar” предназначен для измерения реологических свойств жидких и пастообразных сред. RheolabQC задаёт новые стандарты в проведении рутинных реологических тестов: от быстрых проверок качества в одной точке на кривой течения и определения предела текучести до сложных реологических испытаний. Прибор находит широкое применение в следующих областях: химическая индустрия; косметика, товары личной гигиены; образование; научные исследования; охрана окружающей среды; пищевая индустрия; бумага; текстиль; нефтяная индустрия; фармацевтика; медицина/биотехнология. реометр программа интерактивный

Прибор достаточно прост в эксплуатации, но требует внимательного изучения технического описания, знания принципов его работы и основных реологических законов.

Цель настоящей разработки - перейти от сухого технического описания [1] к "живой" компьютерной модели, позволяющей в интерактивной форме изучить внешний вид прибора, элементы его управления и конструктивные особенности и выполнить виртуальные измерения реологических свойств ньютоновских и неньютоновских жидкостей.

Теоретические основы предмета моделирования. Основная реологическая классификация жидкостей проводится по зависимости касательного напряжения (сила вязкого трения, действующая между двумя слоями жидкости единичной площади) от градиента скорости в направлении, перпендикулярном направлению сдвига [2].

Простейшим реологическим типом жидкости является т.н. ньютоновская жидкость. В своём течении она подчиняется закону вязкого трения Ньютона, в котором касательное напряжение ф прямо пропорционально градиенту скорости сдвига:

. (1)

Коэффициент пропорциональности з называется динамической вязкостью. График зависимости между напряжением и скоростью сдвига для ньютоновской жидкости - так называемая «кривая течения» (рис.1) представляет прямую линию с тангенсом угла наклона численно равным з.

Ньютоновское поведение присуще жидкостям, в которых вязкая диссипация энергии обусловлена столкновением небольших молекул. Все газы, жидкости и растворы с небольшой молекулярной массой попадают в эту категорию. Исключение составляют коллоидные суспензии, а также жидкости и растворы со значительными молекулярными массами. Реологические свойства таких объектов заметно отклоняются от ньютоновских.

Для таких жидкостей кривая течения не является линейной, т.е. вязкость неньютоновской жидкости зависит от скорости сдвига. Системы, свойства которых не зависят от времени, могут быть описаны общим реологическим уравнением:

(2)

Из которого следует, что скорость сдвига в каждой точке жидкости является простой функцией напряжения сдвига в этой же точке. Такие вещества могут быть в свою очередь, в зависимости от вида функции в уравнении (2), подразделены на три группы: пластичные жидкости (бингамовские пластики); псевдопластичные жидкости (псевдопластики); дилатантные жидкости.

Кривые течения, характерные для этих трех групп неньютоновских жидкостей приведены на рис. 1. Кривая течения бингамовских пластиков представляет прямую линию, пересекающую ось напряжения сдвига на расстоянии фy от ее начала. Напряжение текучести фy есть предел, превышение которого приводит к возникновению вязкого течения. Реологическое уравнение для бингамовских пластикой можно записать в виде:

(3)

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают предела текучести, однако их кажущаяся вязкость за, постепенно понижается с ростом скорости сдвига. Для описания таких жидкостей обычно используют эмпирическую функциональную зависимость в виде степенного закона Оствальда- Рейнера.:

(4)

где k и n являются постоянными величинами для каждого конкретного жидкого образца. Здесь: k - мера консистенции жидкости, n - характеризует степень неньютоновского поведения материала, чем больше n отличается от единицы, тем отчетливее проявляются его неньютоновские свойства.

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластиками тем, что в них также отсутствует предел текучести, однако их кажущаяся вязкость повышается с ростом скорости сдвига. Степенной закон и в данном случае зачастую оказывается пригодным, но показатель степени n для этих жидкостей всегда больше единицы.

Рис.1. Типичные зависимости напряжений сдвига и вязкости жидкостей от градиента скорости

Структура работы

Создание виртуального прибора подразумевает разработку визуального интерфейса, программного и адаптированного методического обеспечения. Работа должна выполняться в интерактивном режиме с применением мультимедийных технологий, для того чтобы, используя соответствующее программное обеспечение

* выполнить моделирование объекта;

* выполнить виртуальный эксперимент на основе методик использующихся при проведении реальных экспериментов;

* выполнить обработку и анализ полученных результатов;

* сформировать отчет по проделанной работе.

Для достижения поставленных целей был применен программный продукт компании Adobe: Macromedia Flash [3]. Выбор данной оболочки обусловлен малым объемом создаваемых exe - файлов. Созданные в этой среде приложения используют стандартные проигрыватели, имеющиеся в любом MS Office, что позволяет их использование практически без ограничения на программные средства. Основой для моделирования служили фотографии реометра и его составных элементов, а также реальные зависимости вязкости жидкостей от скорости сдвига, в качестве которых использовались ньютоновская, псевдопластичная и дилатантная среды.

Основное меню программы состоит из трех частей: “Описание прибора”, “Краткая теория”, “Измерения”, выполненных в виде интерактивных кнопок (рис. 2). Нажатие клавиши мыши на каждой из них вызывает переход к соответствующему разделу. Начать выполнение можно с любой ветви, но для успешной работы желательно последовательное выполнение всех трех составных частей.

Текущий раздел отмечается треугольными скобками: < Название раздела >. При наведении на пункты меню надпись подсвечивается.

Раздел “Описание прибора” состоит из четырех подразделов, позволяющих пользователю получить полное представление о внешнем виде, устройстве и назначении конструктивных элементов реометра. Основные сборочные единицы отмечены кнопками, при наведении указателя “мышки” на которые в текстовом поле появляется название соответствующего элемента и его функциональное назначение (рис. 3).

В разделе "Краткая теория" представлены основные сведения о законах течения жидких сред, даны основные определения реологических характеристик вещества и приведены расчетные формулы, необходимые для вычисления искомых величин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Заставка программы Рис. 3. Описание прибора

Раздел “Измерения” содержит все необходимые элементы, которые присущи натурному эксперименту (рис. 4). Специально разработанные скрипты Action Script, позволяют изменять различные параметры в режиме реального времени, а также контролировать действия пользователя, визуально отображая протекание процесса измерения и проверяя его корректность.

Методика выполнения работы

1. Ознакомьтесь с устройством прибора и принципом его работы (вкладка "Описание прибора").

2. Прочитайте краткую теорию об основных реологических законах (вкладка "Краткая теория" ) .

3. Во вкладке «Измерения» с помощью клавиш «стрелка вверх» и «стрелка вниз» (можно использовать как кнопки на панели прибора, так и на клавиатуре) выберите одну из необходимых программ ((Default 1-3). Выбор подтверждается кнопками Enter на панели или клавиатуре.

4. На панели виртуального прибора щелкните на поле напротив "г = " и введите значение начальной скорости сдвига в с-1.

5. После нажатия Enter запускается процесс измерений и на график будут последовательно нанесены измеренные значения эффективной вязкости, а в таблицу - занесены числовые значения коэффициента динамической вязкости исследуемого образца и заданные значения скорости сдвига. Шаг по скоростям сдвига определяется автоматически.

6. На любом этапе программы можно вернуться в предыдущий раздел, но будьте осторожны - возврат сбросит результаты измерений, и затем потребуется вновь запустить процесс измерений.

Рис. 4. Раздел “Измерения”

После выполнения всех предложенных заданий, пользователь оповещается об успешном прохождении и окончании работы с данной интерактивной моделью. Обработку данных и вычисление искомых величин пользователь проводит самостоятельно, так как если бы он выполнял реальный эксперимент, в оболочке Excel или любой иной, позволяющей автоматизировать процессы вычисления.

Интерактивная модель реометра “RheoLab QC” является программной разработкой учебного назначения, которая может быть использована при организации лабораторного практикума по физике для студентов высших учебных заведений естественнонаучных и технических специальностей, которая позволяет изучить теорию явления, а также отработать последовательность действий необходимых при выполнении натурных экспериментов.

Для работы с программой не требуется специальных навыков работы в какой-либо среде.

2. Используемые технические средства

Для устойчивой работы программы "Интерактивная модель реометра “RheoLab QC”" достаточно наличие персонального компьютера с процессором Intel Pentium II и выше. Программно-аппаратные требования: ОС - Windows 2003 и выше, свободного пространства на жестком диске - не менее 50 Мb, оперативной памяти не менее 512 Мb, наличие пакета MS Office 2007-2010, объем разработки - 783 Кб. Распространяется на CD.

3. Специальные условия применения и требования организационного, технического и технологического характера

Для работы программы "Интерактивная модель реометра “RheoLab QC”" нет необходимости в специальных условиях применения и требованиях организационного, технического и(или) технологического характера. Опытная эксплуатация программы показывает, что работа с ней не требует специальной подготовки и осваивается пользователями самостоятельно в течение 10 - 15 минут.

Список литературы

1. RheoLab QC. Руководство по эксплуатации. Graz / Austria : Anton Paar GmbH. 2005. 42 с.

2. Шрам Г. Основы практической реологии и реометрии/Под ред. В.Г. Куличихина - М.: КолоС, 2003. 312 с.

3. Лапин П.А. Самоучитель Flash MX. СПб.: Питер. 2003. 386 с.

Размещено на Allbest.ru