6 façons de mesurer la viscosité d'un fluide

La viscosité est l'une des propriétés physiques les plus essentielles des fluides industriels, tels que les revêtements, les peintures et les adhésifs.

Essentiellement, la viscosité indique la résistance d'un fluide à la déformation par des contraintes de cisaillement ou de traction. En d'autres termes, cette propriété décrit le frottement entre les molécules de fluide provoquant un mouvement relatif d'opposition entre des couches de fluide se déplaçant à des vitesses différentes. La viscosité peut être un indice sur la façon dont un fluide se comportera sous une force appliquée ou son propre poids.

Plus un fluide est visqueux, plus il paraît « épais ». Par exemple, l'huile ou la graisse ont des viscosités plus élevées que l'eau et apparaissent donc plus épaisses.

Les fabricants d'huiles, de revêtements, de peintures et d'adhésifs sont souvent chargés de déterminer la viscosité optimale de leurs produits pour des applications spécifiques. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Exigences de service et facteurs environnementaux pour les revêtements .)

Les fluides à faible viscosité ont tendance à s'écouler plus facilement. Par conséquent, avoir un revêtement avec une viscosité trop faible peut provoquer des coulures et des affaissements. En revanche, un revêtement dont la viscosité est trop élevée peut être "raide" et difficile à appliquer.

Dans cet article, nous examinerons la différence entre les viscosités dynamique et cinématique ainsi que les différentes méthodes avec lesquelles elles sont mesurées.

Viscosité dynamique

La viscosité dynamique, également appelée viscosité absolue, est la résistance d'un fluide à l'écoulement de cisaillement due à une force externe appliquée. Il décrit la quantité de résistance interne offerte lorsqu'une couche de fluide se déplace sur une autre couche dans un plan horizontal.

La viscosité dynamique est particulièrement utile pour décrire des fluides non newtoniens.

Mathématiquement, la viscosité dynamique peut être exprimée comme :

μ =τ dy / dc =τ/γ

Où :

• τ =contrainte de cisaillement dans le fluide (N/m ² ).
• μ =viscosité dynamique du fluide (N s/m ² ).
• dc =vitesse unitaire (m/s).
• dy =unité de distance entre les couches (m).
• γ =dc / dy =taux de cisaillement (s ^-1 ).

L'unité SI de la viscosité dynamique est N s/m ² ou le pascal-seconde (Pa s). Une autre unité de mesure de la viscosité dynamique est l'équilibre (p), où un équilibre équivaut à un dixième N s/m ² ou 1/10 Pa·s.

L'unité d'équilibre peut parfois être trop grande pour des raisons pratiques. Pour cette raison, l'unité centipoise (cP) est souvent utilisée à sa place. Dans l'unité centipoise, un cP équivaut à 0,01P, 0,001 N s/m ² ou 0,001 Pa·s.

Viscosité cinématique

La viscosité cinématique est simplement le rapport de la viscosité dynamique à la densité du fluide. Il reflète la résistance d'un fluide à l'écoulement de cisaillement sous l'influence de la gravité, c'est-à-dire l'écoulement de cisaillement dû au poids propre du fluide.

Cette viscosité est particulièrement utile pour décrire les fluides newtoniens. Mathématiquement, la viscosité cinématique peut être exprimée comme :

ν =μ / ρ

Où :

• ν =viscosité cinématique (m ² /s).
• μ =viscosité absolue ou dynamique (N s/m ² ).
• ρ =densité (kg/m ³ ).

L'unité SI de la viscosité dynamique est m ² /s. Une autre unité de mesure pour cette propriété est Stoke (St), où un St est égal à 10 ^-4 m ² /s est égal à 1 cm ² /s.

Lorsque la valeur de viscosité en Stoke est trop grande, la plus petite unité centistoke (cSt) est souvent utilisée à sa place. Dans le centistoke, un cSt équivaut à 10 ^-6 m ² /s =1mm ² /s.

Comment mesure-t-on la viscosité ?

Il existe plusieurs méthodes différentes pour mesurer la viscosité dynamique et cinématique. Certaines des méthodes les plus courantes sont les suivantes :

1. Coupes de viscosité

Les coupes de viscosité sont utilisées pour déterminer la viscosité cinématique d'un fluide et sont généralement fabriquées en aluminium anodisé avec un orifice en acier inoxydable. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Comprendre la corrosion de l'aluminium .)

Ce test relativement simple consiste à placer le fluide dans un récipient avec une petite ouverture au fond. Le fluide est autorisé à s'écouler à travers l'ouverture en une quantité précise. Le temps nécessaire au fluide pour passer à travers l'ouverture est mesuré et corrélé à la viscosité grâce à l'utilisation de tableaux fournis pour la tasse donnée.

Les coupes de viscosité sont généralement utilisées pour mesurer la consistance des peintures, vernis et produits similaires. Un tableau est ensuite utilisé pour convertir le temps d'écoulement (en secondes) en viscosité en centistokes (cSt).

Les gobelets Ford et Zahn sont parmi les variétés de gobelets à viscosité les plus couramment utilisées. Chaque conception de tasse est unique; il faut donc faire attention lors de la comparaison des valeurs de viscosité entre différents types de gobelets. Les valeurs fournies par une coupe de viscosité sont une valeur absolue et n'incluent pas les tolérances autorisées, car celles-ci diffèrent considérablement d'une norme à l'autre.

2. Viscosimètres vibrationnels

Les viscosimètres vibratoires fonctionnent en immergeant un résonateur électromécanique oscillant dans le fluide d'essai et en mesurant le degré d'amortissement offert par le fluide. Le résonateur oscille généralement en torsion ou transversalement et l'amortissement peut être déterminé par :

• Enregistrer la puissance nécessaire pour maintenir l'appareil en vibration à une amplitude constante.
• Mesurer le temps de décroissance de l'oscillation après l'arrêt des vibrations.
• Mesure de la fréquence du résonateur par rapport à différents angles de phase.

Le viscosimètre à quartz est un exemple de viscosimètre vibrationnel. Avec cette méthode, un cristal de quartz oscillant est immergé dans un fluide et l'influence spécifique sur le comportement oscillant définit la viscosité. Un champ électrique appliqué à l'oscillateur provoque le déplacement du capteur et entraîne le cisaillement du fluide. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Corrosion et interférences électriques dans les structures métalliques enterrées .)

Le mouvement du capteur est alors influencé par les forces externes (la contrainte de cisaillement) du fluide, ce qui affecte la réponse électrique du capteur.

3. Viscosimètres rotatifs

Les viscosimètres rotatifs fonctionnent en mesurant le couple nécessaire pour faire tourner un objet dans le fluide d'essai. Voici comment le processus se déroule :

1. L'une des surfaces est immobile.
2. La surface de contact est tournée par un lecteur externe.
3. Le fluide remplit l'espace entre les surfaces. Le couple nécessaire pour faire tourner un disque ou un bob à une vitesse prédéterminée est mesuré et enregistré.

Le couple maintenant la vitesse de consigne est directement proportionnel à la viscosité; par conséquent, l'appareil est capable de produire des valeurs de viscosité, de contrainte de cisaillement et de taux de cisaillement. Parce qu'une force de cisaillement externe est appliquée au liquide, les viscosimètres rotatifs mesurent la viscosité dynamique d'un fluide.

Les coupelles, les bobs, les cônes et les plaques sont tous des types de viscosimètres rotatifs. Les viscosimètres cup and bob sont constitués de cylindres coaxiaux de différents diamètres. Un volume d'un échantillon à cisailler est stocké dans une cellule de test; le couple nécessaire pour atteindre une certaine vitesse de rotation est mesuré et tracé.

Les viscosimètres à cône et à plaque ont un couplemètre précis qui est entraîné à une vitesse de rotation discrète. Il utilise un cône à angle étroit à proximité d'une plaque plate. La viscosité est calculée à partir de la contrainte de cisaillement et du taux de cisaillement. (Pour en savoir plus sur ce sujet, voir : Les effets de la corrosion sur le comportement au cisaillement des matériaux .)

4. Viscosimètres capillaires

Le viscosimètre capillaire est l'une des premières méthodes connues pour déterminer la viscosité des fluides.

Cette méthode mesure le temps mis par un volume défini de fluide pour s'écouler à travers un tube capillaire en forme de U de diamètre et de longueur connus. Le tube a généralement deux marques - une marque supérieure et une marque inférieure - qui sont utilisées comme référence de mesure. Le temps mis par le fluide pour s'écouler au-delà de ces repères est proportionnel à la viscosité cinématique; par conséquent, la viscosité peut être déterminée à l'aide de formules standard.

Les viscosimètres capillaires comprennent les viscosimètres Ostwald et Ubbelohde. Les deux sont des instruments en forme de U, ont deux ampoules en verre et utilisent des tubes capillaires. (Pour en savoir plus sur la manière dont le verre peut prévenir la corrosion, consultez : Un regard sur les revêtements anticorrosion pour la protection contre la corrosion interne .)

Un avantage majeur du viscosimètre Ubbelohde, cependant, est que les valeurs qu'il obtient sont indépendantes du volume total du liquide utilisé. La principale différence entre les viscosimètres Ostwald et Ubbelohde est que le viscosimètre Ostwald convient à la mesure de liquides de viscosité faible à modérée, tandis que le viscosimètre Ubbelohde convient à la mesure de liquides à haute viscosité.

5. Viscosimètres à sphère tombante

Le viscosimètre à sphère tombante est utilisé pour déterminer la viscosité dynamique du fluide newtonien transparent.

Le concept consiste à mesurer le temps qu'il faut pour qu'une sphère de densité connue tombe à travers un tube rempli d'échantillon sous l'effet de la gravité. Le tube est généralement monté sur un appareil qui peut pivoter rapidement de 180 degrés pour permettre des tests répétés. Le temps moyen de trois tests est enregistré et utilisé dans une formule de conversion pour déterminer la viscosité de l'échantillon.

Les viscosimètres à sphère tombante sont utilisés pour le contrôle de la qualité dans diverses industries ainsi que dans les institutions universitaires pour illustrer la méthode scientifique. La facilité d'utilisation et la méthode simple d'enregistrement des mesures de temps garantissent des résultats de test significatifs.

6. Consistomètres

Un consistomètre est un appareil composé d'une auge métallique avec une petite section barrée derrière une porte à ressort. Voici comment cela fonctionne :

1. L'échantillon à tester est placé derrière la porte à ressort.
2. La porte est soulevée, permettant à l'échantillon de s'écouler librement sous son propre poids.
3. La distance parcourue par le liquide en un temps spécifique est mesurée via les graduations de l'appareil.

Le consistomètre lui-même ne mesure pas directement les valeurs de viscosité; il permet plutôt aux utilisateurs de développer leurs propres normes spécifiques aux produits testés. Cette méthode est plus populaire dans l'industrie alimentaire et est généralement utilisée pour mesurer la viscosité de produits tels que le ketchup, la mayonnaise, les conserves, les garnitures, les soupes, les aliments pour bébés et les vinaigrettes. (Pour en savoir plus sur l'industrie alimentaire, voir : Les propriétés de corrosion de l'aluminium et de ses alliages .)

Facteurs affectant la viscosité

Il existe différents facteurs dont dépend la viscosité du fluide. Ce sont :

• Température du fluide. Habituellement, la viscosité d'un liquide diminue avec une augmentation de la température. Cependant, la viscosité d'un gaz augmente généralement avec une augmentation de la température.
• Conditions de flux. Pour l'écoulement laminaire, la viscosité d'un liquide reste constante; tandis que pour les changements de viscosité en écoulement turbulent.
• Pression. Lorsque la pression augmente, la viscosité d'un gaz augmente généralement. Pour les liquides, parce qu'ils sont incompressibles, la pression n'a pas beaucoup d'impact.
• Débit multiphase. La viscosité d'un écoulement multiphase est modifiée par le volume de chaque phase.
• Particules en suspension. Les matières en suspension entraînent une augmentation de la viscosité.
  
  

Loi de la viscosité de Newton

The relationship between a fluid's shear stress and shear rate under mechanical stress is governed by Newton’s law of viscosity.

Newton’s viscosity law states that, for a given temperature and pressure, the shear stress between two adjacent layers in a fluid is proportional to the velocity gradients between those layers. Put differently, the ratio of shear stress to shear rate in a fluid is a constant and is viscosity's coefficient.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

Conclusion

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.