DIN 1342-3-2003 Viscosity - Part 3 Non-newtonian liquids《粘度 第3部分 非牛顿液体》.pdf

1、DEUTSCHE NORM November 2003ViskosittTeil 3: Nicht-newtonsche Flssigkeiten1342-3ICS 17.060Viscosity Part 3: Non-newtonian liquidsViscosit Partie 3: Liquides non-newtoniensErsatz frDIN 13342:1976-06VorwortDiese Norm wurde vom Arbeitsausschuss NATG-A.77 Viskositt erarbeitet.DIN 1342 Viskositt besteht a

2、us:Gbe Teil 1: Rheologische BegriffeGbe Teil 2: Newtonsche FlssigkeitenGbe Teil 3: Nicht-newtonsche FlssigkeitennderungenGegenber DIN 13342:1976-06 wurden folgende nderungen vorgenommen:a) nderung der Norm-Nummer in DIN 1342-3;b) Inhalt vollstndig berarbeitet.Frhere AusgabenDIN 13342: 1976-06Fortset

3、zung Seite 2 bis 10Normenausschuss Technische Grundlagen (NATG) Einheiten und Formelgren im DIN Deutsches Institut fr Normung e. V.Normenausschuss Pigmente und Fllstoffe (NPF) im DINNormenausschuss Anstrichstoffe und hnliche Beschichtungsstoffe (FA) im DIN DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. .Jed

4、e Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, Ref. Nr. DIN 1342-3:2003-11nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet. Preisgr. 08 Vertr.-Nr. 0008Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 BerlinNormCD Stand 2004-03DIN 1342-3:2003-1121 Anwendungsber

5、eichDiese Norm legt Begriffe zur Beschreibung des Flieverhaltens nicht-newtonscher Flssigkeiten fest undbeschreibt die damit verbundenen physikalischen Zusammenhnge.2 Normative VerweisungenDiese Norm enthlt durch datierte oder undatierte Verweisungen Festlegungen aus anderen Publikationen.Diese norm

6、ativen Verweisungen sind an den jeweiligen Stellen im Text zitiert, und die Publikationen sindnachstehend aufgefhrt. Bei datierten Verweisungen gehren sptere nderungen oder berarbeitungendieser Publikationen nur zu dieser Norm, falls sie durch nderung oder berarbeitung eingearbeitet sind. Beiundatie

7、rten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe der in Bezug genommenen Publikation (einschlielichnderungen).DIN 1342-1:2003-11, Viskositt Teil 1: Rheologische Begriffe.DIN 1342-2:2003-11, Viskositt Teil 2: Newtonsche Flssigkeiten.DIN 13316, Mechanik ideal elastischer Krper Begriffe, Gren, Formelzeichen.D

8、IN 13343, Linear-viskoelastische Stoffe Begriffe, Stoffgesetze, Grundfunktionen.3 BegriffeFr die Anwendungsbereich dieser Norm gelten die Begriffe nach DIN 1342-1:2003-11.4 Grundlagen4.1 FlssigkeitenEin deformierbarer Stoff wird als Flssigkeit bezeichnet, wenn er die folgenden Eigenschaften aufweist

9、1):a) Jede endliche, noch so kleine Schubspannung, die nicht durch Trgheits- oder Grenzflchenkrftekompensiert wird, erzeugt bei zeitlich unbegrenzter Einwirkung eine unbegrenzt groe Verformung, ohnedass Bruchmechanismen hierfr wesentlich sind. Gleichbedeutend hiermit ist: Nach dem Aufhren derEinwirk

10、ung einer endlichen Schubspannung verschwindet die durch sie hervorgerufene Verformung nachunbegrenzt langer Zeit nicht wieder vollstndig.b) Bei zeitlich konstanter, endlicher Schubspannung streben die Verformungsgeschwindigkeit des Vorgangesnach a) und die Dichte des Stoffes gegen einen zeitlich ko

11、nstanten, endlichen Endwert.c) Der funktionale Zusammenhang zwischen zeitlich konstanter Schubspannung und zugehrigem Endwertder Verformungsgeschwindigkeit nach b) ist bis zu den kleinsten messend zu verfolgendenSchubspannungen herab stetig und endlich.ANMERKUNG 1 Die Beobachtbarkeit dieser Eigensch

12、aften kann zwar durch Bruchvorgnge, durch Abweichen vomisothermen Verlauf des Flieens und durch Stoffumwandlungen oder Diffusion beeintrchtigt werden, doch steht dasAuftreten solcher Vorgnge der Charakterisierung des Stoffes als einer Flssigkeit nicht entgegen.1) Alle folgenden Betrachtungen gelten

13、grundstzlich fr alle Fluide, also auch fr Gase.NormCD Stand 2004-03DIN 1342-3:2003-113Erhlt ein Stoff durch besondere mechanische Einwirkungen (z. B. Vibrieren, Beschallung) fluide Eigenschaften, so kanner als Flssigkeit angesehen werden. Die mechanischen Einwirkungen erhalten dann die Bedeutung von

14、 uerenZustandsparametern (wie hydrostatischer Druck oder Temperatur).ANMERKUNG 2 In dieser Norm werden auch Stoffsysteme kurz als Stoffe bezeichnet.Flssigkeiten werden nach 4.2 eingeteilt.4.2 Einteilung der Flssigkeiten4.2.1 Newtonsche FlssigkeitVerhlt sich eine Flssigkeit linear-reinviskos im Sinne

15、 der in DIN 1342-2:2003-11 aufgefhrten Merkmale, soheit sie newtonsche Flssigkeit.4.2.2 Nicht-newtonsche Flssigkeit4.2.2.1 AllgemeinesUnter dem Oberbegriff nicht-newtonsche Flssigkeit werden drei Klassen von Flssigkeiten zusammen-gefasst: die nichtlinear-reinviskosen, die linear-viskoelastischen Fls

16、sigkeiten und die nichtlinear-visko-elastischen Flssigkeiten.ANMERKUNG Vom strukturrheologischen Standpunkt betrachtet liegt dieser nach phnomenologischenGesichtspunkten getroffenen Klasseneinteilung keine qualitative Unterscheidung von Strukturen zugrunde. Die Einteilungerfolgt vielmehr nach dem We

17、rt von stoffspezifischen Zeitkonstanten (z. B. Platzwechsel- oder Relaxationszeiten)multipliziert mit der praktisch realisierten Deformationsgeschwindigkeit. Ist ein solches Produkt verschwindend klein, soliegt newtonsches Verhalten vor; ist es grer, aber noch klein gegen eins, wird in der Regel nic

18、htlinear-reinviskosesFlieen zu beobachten sein; ist es schlielich von der Grenordnung eins, treten im Allgemeinen auch viskoelastischeEigenschaften in Erscheinung. Bei der Unterscheidung reinviskos viskoelastisch spielen ebenso die nderungs-geschwindigkeiten der Vorgnge und ihre beobachtungsmige zei

19、tliche Auflsbarkeit eine Rolle.4.2.2.2 Nichtlinear-reinviskose FlssigkeitenEine Flssigkeit verhlt sich nichtlinear-reinviskos, wenn sie der folgenden Bedingung a) und mindestenseiner der folgenden Bedingungen b) oder c) gengt:a) Elastische Verformungen bei zeitlich vernderlicher Schubspannung mssen

20、so klein sein, dass sie frdie Beschreibung des Flievorganges unwesentlich sind.b) Schubspannung und Deformationsgeschwindigkeit sind nicht proportional, sondern hngen nach einernichtlinearen Beziehung zusammen.c) Reine Scherverformungen fhren nicht nur zu den entsprechenden Schubspannungen, sondern

21、auch zuNormalspannungsdifferenzen (siehe 6.1).4.2.2.3 Linear-viskoelastische FlssigkeitenViskoelastisch verhlt sich eine Flssigkeit, wenn die durch das Ausben einer Schubspannung verrichteteVerformungsarbeit nicht sofort vollstndig dissipiert (irreversibel in Reibungswrme verwandelt) wird. Linearver

22、hlt sich eine viskoelastische Flssigkeit, wenn sie den folgenden Bedingungen gengt:a) Alle irreversiblen Anteile des Flievorganges verlaufen nach dem newtonschen Ansatz (sieheDIN 1342-2:2003-11), und zwar in gleicher Weise fr alle einander zugeordneten Komponenten derSpannung und der Deformationsges

23、chwindigkeit.NormCD Stand 2004-03DIN 1342-3:2003-114b) Alle reversiblen Anteile der Scherverformung verlaufen nach dem Hookschen Gesetz (siehe DIN 13316),und zwar in gleicher Weise fr alle einander zugeordneten Komponenten der Spannung und derDeformation.ANMERKUNG 1 Aus den Bedingungen a) und b) fol

24、gt, dass zwischen einander nicht zugeordneten Komponenten derSpannung, Deformation oder Deformationsgeschwindigkeit keine Wechselwirkungen auftreten, d. h., es gilt dasSuperpositionsprinzip.ANMERKUNG 2 Flssigkeiten verhalten sich im Hinblick auf allseitigen Druck wie viskoelastische Festkrper, wobei

25、 imeinfachsten Falle linear-viskoelastischen Verhaltens der Kompressibilittskoeffizient die elastischen, der Koeffizient derVolumenviskositt die viskosen Eigenschaften kennzeichnet. Flssigkeitsverhalten nach DIN 1342-3 setzt deshalbwesentlich volumenbestndiges Flieen voraus.ANMERKUNG 3 Lineare Flssi

26、gkeiten sind wie der Hooksche Krper ideale Modelle, die das reale Verhalten der Stoffenur in einem beschrnkten Anwendungsbereich d. h. hier: fr hinreichend kleine Deformationsgeschwindigkeiten beschreiben.4.2.2.4 Nichtlinear-viskoelastische FlssigkeitenNichtlinear verhlt sich eine viskoelastische Fl

27、ssigkeit, wenn fr wenigstens eine Komponente des Flievor-ganges mindestens eine der Bedingungen a) oder b) nach 4.2.2.3 nicht mehr erfllt ist. Die Abweichungenvom linearen Verhalten sind bei groen Deformationsgeschwindigkeiten in der Regel strker als bei kleinen.4.2.3 Flssigkeit mit zeitabhngigen rh

28、eologischen EigenschaftenObgleich die Klassifizierung der Flssigkeiten nach 4.2.2.2 und 4.2.2.4 und nach DIN 1342-2:2003-11erschpfend ist, knnen die rheologischen Eigenschaften durch die Verformungsgnge whrend derenAblaufs in einer Weise verndert werden, dass die Einordnung einer Flssigkeit in eine

29、der Klassen nach4.2.1 und 4.2.2 erschwert ist.ANMERKUNG 1 nderungen rheologischer Eigenschaften mit der Zeit, die unabhngig von dem Verformungsvorgangverlaufen (z. B. Stoffumwandlung durch eine von selbst ablaufende chemische Reaktion), knnen messtechnischeBesonderheiten bedingen, haben aber fr die

30、Festlegung von Begriffen keine Bedeutung.Zu beobachten sind sowohl wieder zurckgehende als auch bleibende nderungen der Flieeigenschaften:a) Thixotropie (Eigenschaftswort: thixotrop) heit eine Abnahme der Viskositt infolge andauerndermechanischer Beanspruchung und Wiederzunahme nach Aufhren der Bean

31、spruchung.b) Rheopexie (Eigenschaftswort: rheopex; auch als Antithixotropie oder negative Thixotropie bezeichnet)heit eine Zunahme der Viskositt infolge andauernder mechanischer Beanspruchung und Wieder-abnahme nach Aufhren der Beanspruchung.In beiden Fllen strebt die Viskositt gegen einen zeitlich

32、konstanten Endwert. Die strenge Anwendung dieserBegriffe ist auf wieder zurckgehende nderungen eingeschrnkt; in der Praxis werden diese Ausdrcke aberauch hufig verwendet, wenn z. T. bleibende nderungen vorliegen.ANMERKUNG 2 Thixotropie und Rheopexie knnen formal als viskoelastisches Flssigkeitsverha

33、lten beschriebenwerden, wenn das Fliegesetz allgemein genug formuliert wird (Flssigkeiten mit Gedchtnis). Die begriffliche Trennungder Thixotropie und Rheopexie von der Viskoelastizitt ist dann angebracht, wenn die zu ihrer Beschreibungcharakteristische Dauer gro genug ist gegenber allen sonstigen Z

34、eitkonstanten des viskoelastischenVerformungsprozesses und dadurch das Fliegesetz vereinfacht wird, oder wenn die der Erscheinung zugrunde liegendebesondere Strukturumwandlung in dem Stoff bekannt ist.4.3 Plastischer StoffEin deformierbarer Stoff heit plastisch, wenn er sich in einem unteren Schubsp

35、annungsbereich wie einstarrer, elastischer oder viskoelastischer Festkrper, in einem oberen Schubspannungsbereich dagegen wieeine Flssigkeit verhlt und dann die in 4.2 genannten Merkmale aufweist. Die Schubspannung, bei der dieserNormCD Stand 2004-03DIN 1342-3:2003-115bergang stattfindet, wird als F

36、liegrenze (auch Fliespannung) bezeichnet. Die Fliegrenze kann sich auchber ein enges Schubspannungsintervall erstrecken.ANMERKUNG Oberhalb der Fliegrenze wird hufiger Thixotropie, seltener Rheopexie (siehe 4.2.3) beobachtet.Wie viele andere rheologische Eigenschaften, hngt die Fliegrenze vom Druck,

37、von der Temperatur und hufigauch von der thermischen oder mechanischen Vorgeschichte des Stoffes ab.Liegt die Fliegrenze eines plastischen Stoffes bei so kleinen Schubspannungen, dass der betrachteteVerformungsprozess durch sie nicht wesentlich beeinflusst wird, so ist der Stoff angenhert als Flssig

38、keit zubehandeln. Andernfalls erscheint die Fliegrenze als zustzliche Konstante im Stoffgesetz.5 Stoffgesetze5.1 Rheologische StoffgesetzeDer quantitative Zusammenhang zwischen den Spannungen und Verformungen eines Stoffes heitrheologisches Stoffgesetz. Dieses hat in allgemeiner Form den Charakter e

39、iner Funktionalbeziehung zwischenden vollstndigen Vorgeschichten von Spannung und Deformation. Unter gewissen einschrnkendenBedingungen kann es durch einen Satz von Differentialgleichungen beschrieben werden.ANMERKUNG Die Vorgeschichte einer zeitabhngigen Gre beschreibt deren Verlauf in der dem Zeit

40、punkt derBetrachtung (gegenwrtigen Zeitpunkt) vorangegangenen Zeit.Ein rheologisches Stoffgesetz wird als Fliegesetz bezeichnet, wenn es Flievorgnge nach 4.1 a) bis 4.1 c)beschreibt. Fr die in 5.2 bis 6.3.2 dieser Norm wiedergegebenen Fliegesetze wird vereinfachend ange-nommen:a) Die Flssigkeit ist

41、homogen, disperse Systeme sind als quasihomogen zu behandeln.b) In Ruhe ist die Flssigkeit isotrop, d. h., fr das Fliegesetz existieren nicht von vornhereinausgezeichnete Richtungen (z. B. durch elektrische oder magnetische Felder, durch anisotropeOrdnungszustnde wie in flssigen Kristallen).5.2 Allg

42、emeine Form des FliegesetzesFr das allgemeine Fliegesetz gilt das Superpositionsprinzip nicht. Das Fliegesetz muss in tensoriellerForm dargestellt werden.Diese Funktionalbeziehung muss objektiv sein, d. h. gleichlautend ausfallen, unabhngig davon, von welchemstarr (rotatorisch und translatorisch) si

43、ch bewegenden System aus die rheologische Beziehung aufgestelltwird. Approximative Fliegesetze sind hufig nicht objektiv.Zufolge der Annahme b) in 5.1 sind alle stoffspezifischen Koeffizienten Skalare; ihr Wert hngt imAllgemeinen von der Temperatur und Dichte des Stoffes ab, in besonderen Fllen auch

44、 von weiterenZustandsparametern (siehe 4.1 und 4.2.3).5.3 Skalares FliegesetzUnter bestimmten geometrischen oder rheologischen Bedingungen lsst sich das Fliegesetz auf skalareGleichungen reduzieren.Wichtige Flle sind die einfache Scherstrmung (Schichtenstrmung nach DIN 1342-2:2003-11) und dieeinfach

45、e (uni- und biaxiale) Dehnstrmung (siehe Bild 3).NormCD Stand 2004-03DIN 1342-3:2003-1166 Anwendungen des skalaren Fliegesetzes bei volumenbestndigenFlievorgngen6.1 Fliegesetze fr stationre Schichtenstrmungen6.1.1 Einfache Darstellung in allgemeiner FormBild 1 Einfache ScherstrmungEs wird die einfac

46、he Scherstrmung (siehe Bild 1) betrachtet, obwohl die Zusammenhnge fr alle stationrenSchichtenstrmungen gelten. Die ber den isotropen Druck hinausgehenden Spannungskomponenten sinddann eindeutige skalare Fliefunktionen der Schergeschwindigkeit G67G26.G67G79G79G74G26221)( + + p = x x, G67G79G74G2622+

47、 p = yy , p = zz G74, G67G68G74G74G26 = = y xxy , 0 = = = = xz z xyz zy G74G74G74G74(1)Bei geradliniger Scherstrmung ist die Schergeschwindigkeit G67G26gleich dem Geschwindigkeitsgeflley= DxGb6Gb6v(2)Es existieren im Allgemeinen drei skalare Fliefunktionen: die Normalspannungsfunktionen c1und c2, so

48、wie dieViskosittsfunktion G68 . Sie werden als viskosimetrische Funktionen bezeichnet und sind aus physikalischenGrnden gerade Funktionen vonG67G26.121G79G67G26G3dN und 222G79G67G26G3dN werden als Normalspannungsdifferenzen, G67G68G74G74G26G3dG3dxywird auch als Flie-gesetz bezeichnet.Statt der Scher

49、geschwindigkeit G67G26wird oft auch die Schubspannung G74 als unabhngige Variable benutzt. Danngilt anstelle der obigen Bezeichnungen z. B.)()(2G74G68G74G74G67/ = f = G26 , )(21G74G74G74yy x xN= , )(22G74G74G74zz yy N= (3)Bei der empirischen Darstellung des Fliegesetzes wird gelegentlich der gerade Charakter de