Viscosité des Fluides Newtoniens et non Newtoniens

Si vous êtes sur ce site, vous avez probablement une idée générale de ce qu’est la viscosité et de son importance dans le développement de toute application impliquant un écoulement de fluide. Cependant, la caractérisation des fluides est beaucoup plus profonde et complexe que ce qui est habituellement prévu. Chaque matériau unique a son propre comportement lorsqu’il est soumis à un écoulement, à une déformation ou à une contrainte.,

En fonction de leur comportement de viscosité en fonction du taux de cisaillement, de la contrainte, de l’historique de déformation…, les fluides sont caractérisés comme Newtoniens ou non Newtoniens.

Fluides newtoniens

Les fluides newtoniens sont nommés d’après Sir Issac Newton (1642 – 1726) qui a décrit le comportement d’écoulement des fluides avec une relation linéaire simple entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement ., Cette relation est maintenant connue sous le nom de Loi de Viscosité de Newton, où la constante de proportionnalité η est la viscosité du fluide:

Quelques exemples de fluides newtoniens comprennent l’eau, les solvants organiques et le miel. Pour ces fluides, la viscosité ne dépend que de la température. En conséquence, si l’on regarde le tracé de la contrainte de cisaillement versus taux de cisaillement (Voir Figure 1), nous pouvons voir une augmentation linéaire de la contrainte avec l’augmentation du taux de cisaillement, là où la pente est donnée par la viscosité du fluide., Cela signifie que la viscosité des fluides newtoniens restera constante (voir Figure 2), quelle que soit la vitesse à laquelle ils sont forcés de s’écouler dans un tuyau ou un canal (c’est-à-dire que la viscosité est indépendante de la vitesse de cisaillement).

Une exception à la règle est les plastiques Bingham, qui sont des fluides qui nécessitent une contrainte minimale pour être appliqués avant de couler. Ceux-ci sont strictement non newtoniens, mais une fois que l’écoulement commence, ils se comportent essentiellement comme des fluides newtoniens (c’est-à-dire que la contrainte de cisaillement est linéaire avec le taux de cisaillement). La mayonnaise est un excellent exemple de ce type de comportement.,

Les fluides newtoniens sont normalement constitués de petites molécules isotropes (de forme et de propriétés symétriques) qui ne sont pas orientées par le flux. Cependant, il est également possible d’avoir un comportement newtonien avec de grandes molécules anisotropes. Par exemple, les solutions de protéines ou de polymères à faible concentration peuvent afficher une viscosité constante quel que soit le taux de cisaillement. Il est également possible pour certains échantillons d’afficher un comportement newtonien à de faibles taux de cisaillement avec un plateau connu sous le nom de région de viscosité de cisaillement zéro.,

Fluides Non Newtoniens

En réalité, la plupart des fluides sont non Newtoniens, ce qui signifie que leur viscosité dépend du taux de cisaillement (Amincissement ou épaississement par cisaillement) ou de l’historique de déformation (fluides thixotropes). Contrairement aux fluides newtoniens, les fluides non newtoniens présentent une relation non linéaire entre la contrainte de cisaillement et la vitesse de cisaillement (voir Figure 1), ont une contrainte d’élasticité ou une viscosité qui dépend du temps ou de l’historique de déformation (ou une combinaison de tous les éléments ci-dessus!).,

Un fluide est un épaississement par cisaillement si la viscosité du fluide augmente à mesure que le taux de cisaillement augmente (voir Figure 2). Un exemple courant de fluides épaississants de cisaillement est un mélange de fécule de maïs et d’eau. Vous avez probablement vu des exemples de cela à la télévision ou sur Internet, où les gens peuvent courir sur ce genre de solutions et pourtant, ils vont couler s’ils restent immobiles. Les fluides sont un amincissement par cisaillement si la viscosité diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente. Les fluides d’amincissement par cisaillement, également appelés pseudo-plastiques, sont omniprésents dans les processus industriels et biologiques., Les exemples courants incluent le ketchup, les peintures et le sang.

Le comportement non newtonien des fluides peut être causé par plusieurs facteurs, tous liés à la réorganisation structurelle des molécules de fluide due à l’écoulement. Dans les fontes et les solutions de polymères, c’est l’alignement des chaînes hautement anisotropes qui entraîne une diminution de la viscosité. Dans les colloïdes, c’est la ségrégation des différentes phases de l’écoulement qui provoque un comportement d’amincissement par cisaillement.

Pourquoi Devrais-je M’en soucier?,

débit de Liquide est fortement dépendant de la viscosité des fluides. Dans le même temps, pour un fluide non newtonien, la viscosité est déterminée par les caractéristiques d’écoulement . En regardant la figure 3, vous pouvez observer trois profils de vitesse très différents en fonction du comportement du fluide. Pour tous ces fluides, la vitesse de cisaillement au niveau des parois (c’est-à-dire la pente du profil de vitesse près de la paroi) va déterminer la viscosité., La caractérisation réussie de la viscosité est essentielle pour déterminer si un fluide est newtonien ou non Newtonien, et quelle plage de vitesses de cisaillement doit être considérée pour une application spécifique. De nombreux viscosimètres sur le marché mesurent la viscosité de l’indice, mais manquent souvent de caractérisation appropriée du taux de cisaillement et de la viscosité absolue ou vraie. La viscosité absolue est l’un des paramètres les plus importants dans le développement et la modélisation d’applications impliquant un écoulement de fluide. Par conséquent, une caractérisation appropriée de la viscosité doit être effectuée à une vitesse de cisaillement qui est pertinente pour le processus spécifique., En savoir plus sur les viscosimètres RheoSense et sur la façon dont ils permettent de mesurer la viscosité réelle sur une large gamme de vitesses de cisaillement.

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