راهنمای محاسبه ویسکوزیته و روش‌های محاسبه گرانروی

پیش از انتخاب یا عیب‌یابی هر نوع سیستم پمپاژ، باید عامل حیاتی محاسبه ویسکوزیته را درنظر داشت. چه در حال انتقال آب باشید، چه روغن، مواد شیمیایی یا اسلاری، محاسبه گرانروی سیال مستقیماً بر انتخاب پمپ، بازده مصرف انرژی، نرخ جریان و حتی عمر تجهیزات تأثیر می‌گذارد.

ویسکوزیته ویژگی پویا و مهمی است که رفتار سیال را تحت فشار و دما کنترل می‌کند، به‌ویژه در سیستم‌هایی که دقت، قابلیت اطمینان و صرفه‌جویی اقتصادی در آنها اهمیت دارد. اشتباه در محاسبه یا درک ویسکوزیته می‌تواند به بروز مشکلاتی مانند کاویتاسیون، بار اضافی روی موتور یا حتی از کار افتادن کامل سیستم منجر شود.

حالا پرسش اینجاست که ویسکوزیته چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ چه ابزار و شرایطی لازم دارد؟

در  آموزش محاسبه ویسکوزیته آتور صنعت، به این سؤالات پاسخ خواهیم داد و روش‌های مختلف محاسبه ویسکوزیته را بررسی خواهیم کرد.

 

ویسکوزیته چیست؟

محاسبه ویسکوزیته به معنای سنجش معیاری از مقاومت داخلی یک سیال در برابر حرکت و جاری شدن است. ساده‌تر بگوییم، ویسکوزیته مشخص می‌کند یک مایع «چقدر غلیظ یا رقیق» است و با چه راحتی تحت یک نیروی خارجی جریان پیدا می‌کند. هرچه ویسکوزیته بیشتر باشد، سیال سنگین‌تر حرکت می‌کند؛ هرچه کمتر باشد، روان‌تر جریان می‌یابد.

برای درک بهتر، به تفاوت جریان عسل و آب توجه کنید. آب به‌راحتی جاری می‌شود چون ویسکوزیته‌اش پایین است (حدود ۱ cP در دمای اتاق)، اما عسل با کندی حرکت می‌کند و به‌سختی جریان می‌یابد چون ویسکوزیته بالایی دارد (گاهی بالای 10٬000 CP).

دمای سیال هم نقش کلیدی در محاسبه گرانروی دارد. هرچه مایع گرم‌تر باشد، ویسکوزیته‌اش کمتر و جریانش روان‌تر است؛ هرچه سردتر باشد، غلیظ‌تر و سفت‌تر می‌شود. دانستن ویسکوزیته در طراحی سیستم‌های انتقال، انتخاب نوع پمپ و اجزای شبکه هدایت سیال و تولید یا فرایند (مثلاً آماده‌سازی ماده برای مصرف) کاربرد دارد.

 

ضریب ویسکوزیته چیست؟

ضریب ویسکوزیته که با نماد η (اتا) نشان داده می‌شود، همان ویسکوزیته دینامیک یا مطلق است. این ضریب نشان‌دهنده‌ میزان نیروی برشی لازم برای جاری شدن سیال با نرخ مشخصی از تغییر شکل است و نسبت تنش برشی (τ) به نرخ برش (γ̇) را نشان می‌دهد. فرمول ضریب ویسکوزیته به این شکل است:

F/A ÷ dv/dy = τ ÷ γ̇

که در آن F نیروی مماسی وارد بر سطح A است و نرخ تغییر سرعت در فاصله‌ی عمود بر جریان. واحد استاندارد آن در سیستم SI برابر پاسکال‌ثانیه (Pa·s) و در سیستم CGS برابر پواز (P) است. برای کاربردهای رایج، بیشتر از میلی‌پواز (cP) استفاده می‌شود که 1 cP = 0.001 Pa·s است.

این ضریب نشان می‌دهد در یک شرایط مشخص چقدر نیروی برشی (نیروی واردشده هنگام جریان یافتن) (نیروی واردشده هنگام جریان یافتن) نیاز است تا سیال حرکت کند. بنابراین در طراحی پمپ‌ها، سیستم‌های هیدرولیک یا حتی آنالیز روغن‌ها و روان‌کننده‌ها، ضریب ویسکوزیته یکی از مهم‌ترین معیارهاست.

 

انواع ویسکوزیته

برای درک بهتر انواع گرانروی در مایعات، ابتدا باید با مفهومی به نام نیوتنی بودن سیالات آشنا شویم. سیالات به‌طور کلی بر اساس اینکه ویسکوزیته آنها چگونه در برابر تغییر نرخ برش رفتار می‌کند، به دو دسته نیوتنی و غیرنیوتنی تقسیم می‌شوند.

در محاسبه ویسکوزیته، سیالات نیوتنی آنهایی هستند که ویسکوزیته‌شان ثابت است و با افزایش یا کاهش سرعت جریان تغییر نمی‌کند. یعنی هر چقدر هم به آنها نیرو وارد شود، رابطه بین تنش برشی و نرخ برش، خطی و یکنواخت باقی می‌ماند. آب، روغن‌های سبک و الکل نمونه‌هایی از سیالات نیوتنی هستند.

سیالات غیرنیوتنی برعکس، ویسکوزیته ثابتی ندارند و با تغییر سرعت یا میزان برش، رفتارشان تغییر می‌کند. مثلاً سس کچاپ در حالت عادی غلیظ است، اما وقتی به آن فشار می‌آورید رقیق‌تر می‌شود و راحت‌تر جریان پیدا می‌کند. این نوع سیالات ممکن است با افزایش نیرو، رقیق‌تر یا حتی سفت‌تر شوند. رنگ‌ها، خمیر، ژل، عسل غلیظ، سوسپانسیون‌ها و برخی مواد شیمیایی و پلیمری از این دسته هستند.

ویسکوزیته دینامیک (Dynamic / Absolute Viscosity)

ویسکوزیته دینامیک مقاومت سیال در برابر جریان در اثر یک نیروی خارجی را بدون در نظر گرفتن سرعت واقعی سیال نشان می‌دهد. این نوع ویسکوزیته میزان اصطکاک بین لایه‌های مجاور سیال را هنگام حرکت بیان می‌کند و رایج‌ترین نوع ویسکوزیته در صنایع است. محاسبه ویسکوزیته دینامیک معمولاً با ویسکومترهای چرخشی یا مویرگی (مویینه‌) و در شرایط دمایی کنترل‌شده انجام می‌شود و برای تعیین اندازه پمپ، طراحی سیستم‌های هیدرولیک و بررسی عملکرد روانکارها کاربرد زیادی دارد.

ویسکوزیته سینماتیک (Kinematic Viscosity)

ویسکوزیته سینماتیک یا کینماتیک، نسبت گرانروی دینامیک به چگالی سیال است. این شاخص معمولاً با واحد سانتی‌استوکس (cSt) بیان می‌شود و در کاربردهایی که جریان بر اساس نیروی جاذبه انجام می‌شود (مانند سیستم‌های کانال باز یا خطوط لوله گرانشی) اهمیت ویژه‌ای دارد. اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیک معمولاً با ویسکومترهای مویرگی کالیبره‌شده انجام می‌گیرد که زمان عبور سیال از مسیر مشخص را ثبت می‌کنند.

ویسکوزیته ظاهری (Apparent Viscosity)

این نوع ویسکوزیته مخصوص سیالات غیرنیوتنی است، یعنی موادی که ویسکوزیته آنها در برابر نرخ برش تغییر می‌کند (مانند سس کچاپ یا رنگ). برای این نوع سیالات، ویسکوزیته یک مقدار ثابت نیست. اندازه‌گیری ویسکوزیته ظاهری با استفاده از رئومترهایی انجام می‌شود که می‌توانند نرخ برش را تغییر دهند و واکنش سیال را ثبت کنند. در صنایعی مانند صنایع غذایی، آرایشی بهداشتی و پلیمر، این شاخص برای حفظ کیفیت و سازگاری محصول حیاتی است.

ویسکوزیته نسبی (Relative Viscosity)

ویسکوزیته نسبی به مقایسه بین ویسکوزیته یک محلول و ویسکوزیته حلال خالص گفته می‌شود. این مقدار بدون بعد است و بیشتر در شیمی پلیمر و تحلیل محلول‌ها برای بررسی رفتار مولکولی و غلظت‌ها استفاده می‌شود.

ویسکوزیته ذاتی (Intrinsic Viscosity)

ویسکوزیته ذاتی، تأثیر یک حل‌شونده (مثل پلیمر) را بر ویسکوزیته یک محلول بررسی می‌کند. این پارامتر اطلاعاتی درباره اندازه مولکولی و برهم‌کنش آن با حلال ارائه می‌دهد. با محاسبه ویسکوزیته نسبی در چند غلظت مختلف و برون‌یابی به غلظت صفر، ویسکوزیته ذاتی به‌دست می‌آید. در علوم پلیمر، این شاخص برای تخمین جرم مولکولی کاربرد گسترده‌ای دارد.

 

تفاوت ویسکوزیته دینامیک و سینماتیک چیست؟

ویسکوزیته دینامیک (η) معیاری برای مقاومت داخلی سیال در برابر حرکت لایه‌ها نسبت به هم است. به‌عبارت دیگر، نشان می‌دهد چه مقدار نیرو برای جابه‌جایی یک لایه سیال روی لایه دیگر نیاز است. واحد آن پاسکال‌ثانیه (Pa·s) یا سنتی‌پورس است و مهم‌ترین کاربردش در بررسی سیالاتی است که هنگام حرکت تحت نیرو تغییر رفتار می‌دهند. اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیک برای سیالات غیرنیوتنی ضروری است، چون با تغییر نیروی وارده، ویسکوزیته متفاوتی نشان می‌دهند.

ویسکوزیته سینماتیک (ν) با تقسیم ویسکوزیته دینامیک بر چگالی سیال به‌دست می‌آید و واحد آن مترمربع بر ثانیه (cSt) است. این نوع ویسکوزیته، رفتار سیال تحت نیروی گرانش را نشان می‌دهد و برای سیالات نیوتنی مثل آب، روغن موتور، بنزین و گلیسیرین مناسب است . در صنعت روانکاری، نمره‌های ISO و SAE بر اساس ویسکوزیته سینماتیک انجام می‌شود. در نتیجه اگر سیال رفتار همگن و مستقل از نیروی برشی داشته باشیدف اندازه گیری ویسکوزیته سینماتیک ساده‌تر و کاربردی‌تر است. ویسکوزیته سینماتیک برای اندازه گیری مایعات نیوتنی و ویسکوزیته دینامیکی برای مایعات غیر نیوتنی استفاده می شود.

نکته تبدیل ویسکوزیته دینامیک به کینماتیک

برای تبدیل ویسکوزیته دینامیک (η) به ویسکوزیته کینماتیک (ν)، از رابطه زیر استفاده می‌شود.

ν (cSt) = η (cP) ÷ ρ (g/cm³)

یعنی ویسکوزیته کینماتیک برابر است با ویسکوزیته دینامیک تقسیم بر چگالی سیال به گرم بر سانتی‌متر مکعب. این تبدیل زمانی کاربرد دارد که بخواهیم رفتار سیال را در سیستم‌هایی مثل لوله‌کشی، تحت اثر گرانش بررسی کنیم.

 

پارامترهای کلیدی در محاسبه گرانروی

برای اینکه محاسبه گرانروی مایعات دقیق، قابل اعتماد و قابل استفاده باشد، باید عوامل مؤثر بر ویسکوزیته را به‌دقت کنترل کرد و در نظر گرفت. این عوامل هم بر دقت فرایند اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند و هم بر نحوه تفسیر داده‌ها در کاربردهای واقعی.

1. دما: ویسکوزیته به شدت تحت تأثیر دما قرار دارد. تقریباً تمام سیالات با افزایش دما رقیق‌تر می‌شوند. به همین دلیل، باید آزمایش در دمای ثابت و کنترل‌شده (معمولاً ۲۰ یا ۴۰ درجه سانتی‌گراد برای تست‌های استاندارد) انجام شود. استفاده از ویسکومترهای مجهز به کنترل دما یا حمام‌های حرارتی، دقت نتایج را تضمین می‌کند.
2.  نرخ برش (Shear Rate): در مورد سیالات غیرنیوتنی، ویسکوزیته با نرخ اعمال نیرو تغییر می‌کند. این یعنی اگر نرخ برش را تغییر دهید، ویسکوزیته همان سیال هم ممکن است تغییر کند. بنابراین برای این نوع سیالات، حتماً باید از رئومترهایی استفاده شود که امکان کنترل نرخ برش را فراهم می‌کنند.
3. نوع سیال (نیوتنی یا غیرنیوتنی): گفتیم که سیالات نیوتنی ویسکوزیته ثابتی دارند و رفتار آنها با افزایش نرخ برش تغییر نمی‌کند. اما سیالات غیرنیوتنی با تغییر نرخ برش، رفتار متفاوتی نشان می‌دهند. دانستن نوع سیال تعیین می‌کند که آیا می‌توان از ویسکومترهای ساده استفاده کرد یا به تجهیزات پیشرفته‌تر نیاز است.
4.  فشار: در کاربردهایی مثل صنایع نفت و گاز یا فرایندهای صنعتی تحت فشار بالا، فشار محیط می‌تواند بر ویسکوزیته تأثیر بگذارد. اگرچه در آزمایش‌های معمول آزمایشگاهی نیازی به بررسی فشار نیست، اما در موارد تخصصی باید از ویسکومترهایی استفاده کرد که قابلیت کار در فشار بالا را دارند.
5.  حجم و آماده‌سازی نمونه: آلودگی یا عدم یکنواختی نمونه می‌تواند نتایج ویسکوزیته را کاملاً مخدوش کند. نمونه باید همگن، بدون حباب هوا و مطابق با حجم مورد نیاز دستگاه انتخاب شود. برخی دستگاه‌ها به چند میلی‌لیتر نیاز دارند، برخی دیگر بیشتر. رعایت این نکات ساده در محاسبه ویسکوزیته، از خطاهای جدی جلوگیری می‌کند.
6. وابستگی به زمان: برخی سیالات (مثل ژل‌ها یا برخی امولسیون‌ها) در طول زمان و تحت بار ثابت، ویسکوزیته‌شان تغییر می‌کند. این رفتار زمان‌وابسته (مثل تیکسوتروپی یا رئوپکتیک) نیاز به پروتکل‌های دقیق آزمایش دارد تا بتوان رفتار سیال را هم در شروع و هم در زمان برگشت به حالت اولیه به‌درستی ثبت کرد.
7. نوع دستگاه و کالیبراسیون: دستگاه‌های مختلف برای سیالات و کاربردهای گوناگونی طراحی شده‌اند؛ از ویسکومترهای مویرگی گرفته تا ویسکومترهای چرخشی و حتی سنسورهای ارتعاشی. انتخاب دستگاه متناسب با نوع سیال و رنج ویسکوزیته مورد انتظار ضروری است. برای محاسبه صحیح گرانروی باید دستگاه به‌طور منظم با مایعات مرجع معتبر کالیبره شود.

 

چرا باید ویسکوزیته را محاسبه کرد؟

در صنایع مرتبط با انتقال سیال، ویسکوزیته نقش کلیدی در انتخاب پمپ و طراحی سیستم دارد. ویسکوزیته بالا یعنی مقاومت بیشتر در برابر جریان که می‌تواند باعث افزایش مصرف انرژی یا نیاز به پمپ‌های خاص (مثلاً پمپ جابجایی مثبت) شود. سیالات ویسکوزیته پایین مثل آب را می‌توان با پمپ‌های سانتریفیوژ ساده منتقل کرد، اما مایعات غلیظ‌تر نیاز به بررسی دقیق‌تری دارند.

از طرفی، بیشتر داده‌های عملکردی پمپ‌ها بر پایه آب طراحی شده‌اند. اگر ویسکوزیته سیال موردنظر متفاوت باشد، باید منحنی‌های پمپ اصلاح شوند تا افت فشار، کاهش دبی و افزایش توان مصرفی لحاظ شوند. نادیده‌گرفتن این موضوع می‌تواند باعث انتخاب پمپ نامناسب، مصرف بیش از حد انرژی و حتی خرابی زودهنگام سیستم شود.

همچنین با دانستن دقیق ویسکوزیته، می‌توان از سایش زیاد قطعات، کاویتاسیون، یا داغ شدن بیش از حد تجهیزات جلوگیری کرد. این کار باعث بهینه‌سازی لوله‌ها، شیرآلات و عملکرد کلی سیستم می‌شود و در نهایت عمر مفید تجهیزات را افزایش می‌دهد.

واحد ویسکوزیته چیست؟

واحد ویسکوزیته بستگی دارد به اینکه درباره کدام نوع محاسبه گرانروی صحبت می‌کنیم. مثلاً برای ویسکوزیته دینامیک، واحد رسمی در سیستم SI پاسکال-ثانیه (Pa·s) است که در عمل از واحد کوچکتر آن، میلی‌پاسکال‌ثانیه (mPa·s) استفاده می‌شود.
در سیستم CGS، ویسکوزیته دینامیک برحسب پوآز (Poise – P) بیان می‌شود که هر 1 پوآز برابر است با 0.1 پاسکال‌ثانیه و هر 1 سنتی‌پوآز (cP) برابر است با 1 mPa·s.

مثلاً ویسکوزیته آب در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد تقریباً 1 cP یا 1 mPa·s است.

از سوی دیگر، ویسکوزیته سینماتیک در سیستم SI با واحد متر مربع بر ثانیه (m²/s) بیان می‌شود اما در صنعت، از واحد کوچکتر آن یعنی سانتی‌استوکس (cSt) استفاده می‌کنند که معادل 10⁻⁶ متر مربع بر ثانیه است
(1 cSt = 1 mm²/s).

مثلاً روغن موتور SAE 10W-30 در دمای 100 درجه سانتی‌گراد ممکن است ویسکوزیته‌ای حدود 10 cSt داشته باشد.

در پاسخ به این  سوال، در جدول زیر می‌توانید با واحدهای محاسبه ویسکوزیته و تبدیل آنها به یکدیگر آشنا شوید.

نوع ویسکوزیته	واحد	نماد	برابر با SI
دینامیک (مطلق)	پاسکال-ثانیه	Pa·s	1 Pa·s = 1 N·s/m² = 1 kg·m⁻¹·s⁻¹
	پوآز (CGS)	P	1 P = 0.1 Pa·s
	سنتی‌پوآز	cP	1 cP = 0.001 Pa·s = 1 mPa·s
	دین·ثانیه/سانتیمتر²	dyn·s/cm²	1 dyn·s/cm² = 0.1 Pa·s
	کیلوپوآز	kP	1 kP = 100 Pa·s
	هکتوپوآز	hP	1 hP = 10 Pa·s
	دسی‌پوآز	dP	1 dP = 0.01 Pa·s
	میلی‌پوآز	mP	1 mP = 0.0001 Pa·s
	میکروپوآز	µP	1 µP = 1e–7 Pa·s
کینماتیک	متر² بر ثانیه	m²/s	1 m²/s = 10⁴ cm²/s = 10⁸ mm²/s
	استوکس (CGS)	St	1 St = 10⁻⁴ m²/s = 1 cm²/s
	سنتی‌استوکس	cSt	1 cSt = 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s

 

روش‌های محاسبه ویسکوزیته

ویسکوزیته را می‌توان با استفاده از چندین روش مختلف اندازه‌گیری و محاسبه کرد؛ هر روش برای نوع خاصی از سیال، سطح دقت موردنیاز و شرایط صنعتی متفاوت مناسب است. در ادامه رایج‌ترین تکنیک‌هایی که در صنعت برای سنجش ویسکوزیته استفاده می‌شوند را مرور می‌کنیم.

ویسکومترهای مویرگی (روش جریان ثقلی)

این روش یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین تکنیک‌های محاسبه ویسکوزیته است، به‌ویژه برای سیالات نیوتنی مانند روغن‌های سبک، حلال‌ها و سوخت‌ها. عملکرد این دستگاه بر اساس قانون پوازی انجام می‌شود. سیال از طریق یک لوله مویین نازک و تحت تأثیر گرانش عبور می‌کند و زمان حرکت آن بین دو نقطه مشخص ثبت می‌شود. با استفاده از این زمان و ثابت کالیبراسیون دستگاه، ویسکوزیته سینماتیک به‌دست می‌آید.

• مناسب برای روغن‌ها و حلال‌های رقیق
• مزایا: مقرون‌به‌صرفه، استاندارد، استفاده آسان
• محدودیت‌ها: مناسب سیالات غیرنیوتنی یا بسیار غلیظ نیست

 

ویسکومترهای چرخشی

در این روش، یک محور یا دیسک داخل سیال می‌چرخد و مقاومت ایجاد شده در برابر چرخش (گشتاور) اندازه‌گیری می‌شود. این مقاومت مبنای محاسبه ویسکوزیته دینامیک است. مزیت بزرگ این روش در این است که امکان کنترل و تغییر نرخ برش را فراهم می‌کند، بنابراین برای مواد غلیظ یا خمیری بسیار مناسب است.

• مناسب برای سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی مانند رنگ، کرم، دوغاب
• مزایا: منعطف، قابل تنظیم بر اساس نرخ برش
• محدودیت‌ها: نیاز به کالیبراسیون دقیق و کنترل دما

 

ویسکومترهای ساچمه‌ سقوطی

در این روش، یک گلوله فلزی کوچک درون لوله‌ای پر از سیال رها می‌شود و زمان سقوط آن ثبت می‌گردد. از این زمان و طبق قانون استوکس، ویسکوزیته محاسبه می‌شود. این روش برای سیالات شفاف و نیوتنی کاربرد دارد.

• مناسب برای سیالات شفاف و نیوتنی
• مزایا: ساده و مستقیم
• محدودیت‌ها: مناسب سیالات کدر یا بسیار غلیظ نیست

 

ویسکومترهای ارتعاشی

این روش مدرن با استفاده از یک حسگر یا میله‌ی ارتعاشی انجام می‌شود که داخل سیال قرار گرفته و مقاومت سیال در برابر ارتعاش آن ثبت می‌شود. تغییرات فرکانس یا میرایی (damping) به ویسکوزیته تبدیل می‌شود. این روش برای نظارت لحظه‌ای و درون‌خط (in-line) در فرایندهای صنعتی ایده‌آل است.

• مناسب برای پایش پیوسته ویسکوزیته در صنعت
• مزایا: بدون وقفه، طراحی فشرده
• محدودیت‌ها: قیمت بالا، نیاز به کالیبراسیون دقیق

 

رئومترها

رئومترها ابزارهایی پیشرفته هستند که رفتار کامل جریان سیال را بررسی می‌کنند. این دستگاه‌ها با اعمال تنش کنترل‌شده، به‌جز ویسکوزیته، ویژگی‌هایی مانند تنش تسلیم و ویسکوالاستیسیته را هم بررسی می‌کنند. برای سیالات غیرنیوتنی مثل امولسیون‌ها، ژل‌ها یا خمیرها، رئومتر بهترین گزینه است.

• مناسب برای سیالات غیرنیوتنی مانند ژل، خمیر و امولسیون
• مزایا: دقیق، چندمنظوره
• محدودیت‌ها: گران‌قیمت، نیازمند دانش تخصصی

 

روش‌های اولتراسونیک و آکوستیک

این تکنیک‌های پیشرفته از امواج صوتی برای بررسی چگالی و محاسبه ویسکوزیته استفاده می‌کنند. این روش‌ها برای محیط‌های حساس مانند صنایع هوایی یا داروسازی کاربرد دارند.

• مناسب برای صنایع پیشرفته با حساسیت بالا
• مزایا: غیرتماسی، سریع
• محدودیت‌ها: پیچیده، محدود به کاربردهای خاص

 

محاسبات تجربی

در برخی شرایط خاص (به‌ویژه در مراحل طراحی سیستم یا شبیه‌سازی) می‌توان ویسکوزیته را با استفاده از فرمول‌های تجربی و داده‌های دما، فشار یا ترکیب سیال محاسبه کرد. این روش‌ها سریع و کم‌هزینه‌اند اما دقت پایین‌تری دارند و بهتر است با اندازه‌گیری واقعی اعتبارسنجی شوند.

• مناسب برای مهندسی طراحی، شبیه‌سازی، یا زمانی که امکان آزمایش نیست
• مزایا: سریع، مقرون‌به‌صرفه
• محدودیت‌ها: دقت پایین‌تر نسبت به روش‌های فیزیکی

 

آموزش نحوه محاسبه ویسکوزیته

پیش از ورود به محاسبات دقیق، باید اطمینان حاصل کرد که دو پارامتر کلیدی به‌درستی اندازه‌گیری شده‌اند: چگالی سیال و ضریب ویسکوزیته (η). این دو عامل پایه‌ای، برای تحلیل دقیق رفتار سیال تحت شرایط مختلف جریان ضروری‌اند. چه بخواهید ویسکوزیته دینامیک را محاسبه کنید، چه سینماتیک را، بدون این داده‌ها نمی‌توان به نتیجه‌ای قابل اتکا رسید.

چگونه چگالی مایع را اندازه بگیریم؟

محاسبه چگالی مایع زمانی ضروری می‌شود که بخواهیم ویسکوزیته سینماتیک را تعیین کنیم یا ویسکوزیته دینامیک را به آن تبدیل کنیم. از آنجا که ویسکوزیته سینماتیک برابر است با ویسکوزیته دینامیک تقسیم بر چگالی سیال، دانستن مقدار دقیق چگالی برای تبدیل درست و مقایسه بین سیالات ضروری است.

مراحل محاسبه چگالی مایع

جرم استوانه مدرج را در حالت خالی اندازه بگیرید. سپس ۱۰۰ میلی‌لیتر از مایع را در آن بریزید و دوباره جرم آن را اندازه بگیرید. فرض کنیم جرم استوانه خالی ۰.۲ کیلوگرم و جرم استوانه با مایع ۰.۴۵ کیلوگرم باشد.

در این حالت جرم مایع برابر است با:  ۰.۴۵ – ۰.۲ = ۰.۲۵ کیلوگرم

چگالی را با تقسیم جرم بر حجم محاسبه کنید.

۰.۲۵ کیلوگرم ÷ ۱۰۰ میلی‌لیتر = ۰.۰۰۲۵ کیلوگرم بر میلی‌لیتر = ۲۵۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب

توجه داشته باشید که ۱ میلی‌لیتر معادل ۱ سانتی‌متر مکعب است و ۱ میلیون سانتی‌متر مکعب معادل ۱ مترمکعب.

در صورت نداشتن مقدار دقیق چگالی، نمی‌توان ویسکوزیته را به‌درستی در واحدهایی که بر جریان تحت جاذبه یا حرکت اثر می‌گذارند بیان کرد.

 

راهنمای محاسبه شاخص گرانروی

برای محاسبه شاخص گرانروی، ابتدا باید درنظر بگیرید که ویسکوزیته دینامیک نسبت تنش برشی به نرخ برش است. یعنی اینکه برای حرکت سیال با سرعت موردنظر، چقدر نیرو باید وارد شود. این پارامتر پایه در تعیین عملکرد پمپ، انتخاب لوله‌ها و ارزیابی سیالات کاربرد دارد.

روش انتخابی به نوع سیال (نیوتنی یا غیرنیوتنی)، دامنه گرانروی و دقت مورد نیاز بستگی دارد. ابزارهای رایج برای اندازه گیری شاخص گرانروی عبارت‌اند از:

• ویسکومتر چرخشی: مناسب برای اغلب کاربردهای آزمایشگاهی و صنعتی
• ویسکومتر مویرگی(کاپیلاری): ویژه سیالات کم‌گرانروی و نیوتنی
• ویسکومتر ساچمه سقوطی: کاربردی و ساده برای مایعات شفاف
• رئومتر: مناسب برای بررسی دقیق سیالات غیرنیوتنی و رفتار پیچیده جریان

پیش از آزمایش، مایع باید همگن‌سازی شده و بدون حباب باشد. وجود هوا یا جداشدگی فازها می‌تواند نتایج را مخدوش کند. دمای نمونه باید ثابت و کنترل‌شده باشد؛ چون ویسکوزیته به شدت با دما تغییر می‌کند.

دستگاه را مطابق دستورالعمل سازنده تنظیم کنید. بر اساس گرانروی مورد انتظار، محور مناسب را انتخاب کنید و طوری در سیال قرار دهید که با دیواره ظرف تماس نداشته باشد. سپس تست را در نرخ برش یا سرعت چرخش مشخص اجرا کنید. نتیجه به‌صورت مستقیم روی صفحه دستگاه در واحد cP یا Pa·s نمایش داده می‌شود.

برای داشتن داده‌های قابل تکرار و قابل مقایسه، این موارد را ثبت کنید:

• دمای نمونه حین آزمایش؛
• نرخ برش اعمال‌شده (در صورت وجود)؛
• هرگونه انحراف از پروتکل استاندارد.

مطمئن شوید که واحد مورد استفاده با نیاز محاسبات یا استانداردهای شما همخوانی دارد. برای تبدیل واحد می‌توانید از جدولی که بالاتر ارائه دادیم بهره ببرید.

 

محاسبه ویسکوزیته با روش ساچمه سقوطی

در ساده‌ترین تعریف، ویسکوزیته نسبت تنش برشی به نرخ برش است. اما اگر بخواهیم آن را به‌صورت عملی محاسبه کنیم، مراحل متعددی در پیش داریم. برای اندازه‌گیری ویسکوزیته با این روش، تنها به یک گوی فلزی، سیال مورد نظر و یک استوانه مدرج نیاز داریم.

ابتدا باید چگالی گوی را با استفاده از رابطه جرم تقسیم بر حجم به دست بیاورید. برای محاسبه جرم، کافی است گوی را با ترازوی دقیق وزن کنید. برای محاسبه حجم، از فرمول حجم کره استفاده می‌کنیم:

v=4/3πr³v

شعاع (r) با اندازه‌گیری قطر گوی و تقسیم آن بر ۲ به‌دست می‌آید.

چگالی سیال نیز با همان فرمول بالا محاسبه می‌شود. جرم سیال را می‌توان از اختلاف وزن کل (سیال + استوانه) با وزن خالی استوانه به‌دست آورد. حجم آن نیز از طریق خواندن مقدار درج‌شده روی استوانه مدرج مشخص می‌شود. در نهایت، از رابطه‌ی زیر برای محاسبه ویسکوزیته استفاده می‌شود:

سیلندر مدرج بلند را با مایعی که می‌خواهید ویسکوزیته آن را اندازه بگیرید، تا حدود ۲ سانتی‌متر مانده به لبه بالایی پر کنید. با ماژیک، ۲ سانتی‌متر پایین‌تر از سطح مایع را علامت بزنید. یک علامت دیگر هم ۲ سانتی‌متر بالاتر از کف سیلندر بزنید. فاصله بین این دو علامت را اندازه بگیرید. فرض کنیم این فاصله ۰٫۳ متر است.

گوی فلزی را روی سطح مایع رها کرده و با کرنومتر، زمان رسیدن آن از علامت بالا به علامت پایین را اندازه بگیرید. فرض کنیم این زمان ۶ ثانیه طول کشید. برای محاسبه سرعت گوی، مسافت طی شده را بر زمان تقسیم کنید. اینجا با تقسیم 0.3 بر 6، به سرعت 0.05 متر بر ثانیه می‌رسیم.

سپس برای محاسبه ویسکوزیته از رابطه زیر استفاده کنید.

که در آن پارامترها به شرح زیرند.

• g = شتاب جاذبه = ۹٫۸ متر بر مجذور ثانیه
• a = شعاع گوی فلزی (بر حسب متر)
• v = سرعت گوی در مایع (بر حسب متر بر ثانیه)

برای مثال اگر داشته باشیم که

• چگالی گوی = ۲۳٬۸۶۶ کیلوگرم بر متر مکعب
• چگالی مایع = ۲٬۵۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب
• شعاع گوی = ۰٫۰۱ متر
• سرعت گوی = ۰٫۰۵ متر بر ثانیه

با جایگذاری در فرمول، به عدد ۹۳٫۱ پاسکال ثانیه می‌رسیم.

 

محاسبه گرانروی با استفاده از ویسکومترهای مویرگی

در ویسکومترهای موئینه‌ای (مثل اوستوالد یا اوبلهده)، سیال از درون یک لوله شیشه‌ای باریک و عمودی عبور می‌کند. زمان لازم برای عبور سیال از بین دو نقطه مشخص در اثر نیروی گرانش ثبت می‌شود. از آنجا که زمان جریان با ویسکوزیته رابطه مستقیم دارد، می‌توان ویسکوزیته دینامیک را با استفاده از یک ضریب کالیبراسیون محاسبه کرد.

برای محاسبه ویسکوزیته از این روش به موارد زیر نیاز دارید:

• ویسکومتر موئینه‌ای (ترجیحاً اوبلهده برای پایداری دمایی)
• کرنومتر یا تایمر دیجیتال
• حمام ترموستاتیک (برای کنترل دقیق دما)
• حلال تمیزکننده (مثل استون)
• سیال مورد آزمون
• مایع مرجع استاندارد برای کالیبراسیون
• پیپت یا سرنگ برای انتقال سیال

پیش از شروع آزمایش، ویسکومتر را کاملاً با حلال بشویید تا از آلودگی جلوگیری شود. در صورت نیاز، یک بار هم با سیال مورد آزمایش شست‌وشو دهید. پس از آن اجازه دهید دستگاه کاملاً خشک شود. وجود ذرات یا مایع‌های باقی‌مانده می‌تواند نتایج را مخدوش کند.

با استفاده از سرنگ یا پیپت، مخزن ویسکومتر را تا خط نشانه با سیال پر کنید. مراقب باشید که حباب هوا وارد نشود، به‌ویژه در ناحیه لوله موئینه. سپس ویسکومتر را عمودی داخل حمام ترموستاتیک قرار دهید و حدود ۱۰ تا ۱۵ دقیقه صبر کنید تا سیال به دمای مورد نظر (معمولاً ۲۰ یا ۴۰ درجه سانتی‌گراد) برسد.

پس از تثبیت دما، با استفاده از مکش (دستی یا اتومات) سیال را تا بالای علامت زمان بالا بکشید. مکش را قطع کنیدو زمانی که سطح سیال از خط بالایی عبور کرد، تایمر را شروع کنید. وقتی از خط پایین گذشت، تایمر را متوقف کنید. زمان جریان را ثبت کنید و این فرآیند را حداقل سه بار تکرار کنید. میانگین زمان‌ها را برای دقت بیشتر محاسبه کنید.

فرمول محاسبه ویسکوزیته از این روش به شرح زیر است:

η=K⋅t⋅ρ

که در آن:

• η: ویسکوزیته دینامیک (mPa·s یا cP)
• ضریب کالیبراسیون ویسکومتر (که توسط سازنده ارائه می‌شود)
• t: زمان جریان (ثانیه)
• ρ: چگالی سیال (g/cm³) در دمای آزمایش

در صورتی که چگالی سیال را نمی‌دانید، می‌توانید آن را جداگانه اندازه بگیرید یا از دیتاشیت استفاده کنید. در گزارش خود، دما، نوع ویسکومتر و زمان اندازه‌گیری را ذکر کرده و نتایج را با استاندارد یا محدوده هدف مقایسه نمایید.

 

‌نحوه اندازه‌گیری گرانروی سینماتیک

رایج‌ترین روش برای محاسبه ویسکوزیته کینماتیک، استفاده از ویسکومتر مویرگی است که در آزمایش‌های کنترل کیفیت، بررسی روان‌کننده‌ها و آنالیز سیالات صنعتی (به‌ویژه در مورد سیالات نیوتنی مثل روغن‌ها، سوخت‌ها و حلال‌ها) کاربرد گسترده دارد.

فرایند کار مانند روش قبلی است که توضیح دادیم. بعد از محاسبه زمان برای سه مرتبه، باید از فرمول محاسبه گرانروی سینماتیک به صورت زیر استفاده کنید.

ν=C⋅t

که در آن پارامترها به این شرحند.

• ν = گرانروی سینماتیک (cSt)
• C = ثابت کالیبراسیون ویسکومتر
• t= زمان جریان (ثانیه)

در پایان، حتماً دمای آزمون و نوع سیال را ثبت کنید. در صورتی که چگالی سیال نیز مشخص باشد، می‌توان گرانروی دینامیک را با ضرب عدد حاصل در چگالی (g/cm³) به دست آورد. این روش، روشی ساده، دقیق و استاندارد برای بررسی رفتار جریان سیالات است که در تحقیقات و کاربردهای صنعتی بسیار کارآمد است.

 

‌اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیک با روش رئومتری چرخشی

روش رئومتری چرخشی یکی از کاربردی‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری گرانروی دینامیک است، به‌ویژه در مواجهه با سیالات غلیظ یا غیرنیوتنی مانند رنگ‌ها، سیروپ، پلیمرها و کرم‌ها. برخلاف روش موئینه‌ای که بر پایه گرانش کار می‌کند، این روش با اعمال نیروی مکانیکی کنترل‌شده، مقاومت سیال در برابر حرکت را اندازه‌گیری می‌کند.

برای این آزمایش به یک ویسکومتر چرخشی (مثلاً نوع بروکفیلد)، سیستم کنترل دما و ظرفی برای نگهداری نمونه نیاز دارید. ابتدا باید اسپیندل یا میله گردان مناسب را با توجه به رنج گرانروی مورد انتظار انتخاب کنید چون شکل و اندازه آن بسته به نوع سیال و رفتار جریان متفاوت است. پس از اتصال اسپیندل، نمونه را در ظرف بریزید و مطمئن شوید که فاقد حباب و آلودگی است.

اسپین دل را درون سیال قرار دهید، به‌طوری که تا عمق مشخص‌شده غوطه‌ور باشد اما به دیواره یا کف ظرف برخورد نکند. سپس سرعت چرخش یا نرخ برش مورد نظر را روی دستگاه تنظیم کنید. با شروع چرخش، دستگاه میزان گشتاور لازم برای غلبه بر مقاومت داخلی سیال را اندازه می‌گیرد و آن را به‌صورت اتوماتیک به مقدار ویسکوزیته (معمولاً بر حسب cP یا mPa·s) تبدیل می‌کند.

کنترل دقیق دما در طول آزمایش بسیار مهم است، چرا که ویسکوزیته به‌شدت به دما وابسته است. در صورت امکان از حمام آب، ظرف دوجداره یا سیستم گرمایی داخلی استفاده کنید. اگر نیاز به دقت بالاتری دارید، تست را در چندین سرعت مختلف انجام دهید تا تغییرات ویسکوزیته نسبت به نرخ برش بررسی شود، به‌ویژه برای سیالات غیرنیوتنی.

 

آموزش محاسبه ویسکوزیته با ویسکومتر ارتعاشی

روش ارتعاشی، یکی از مدرن‌ترین و کارآمدترین روش‌های اندازه‌گیری گرانروی دینامیک است، به‌ویژه در محیط‌های صنعتی که نیاز به پایش لحظه‌ای دارند. برخلاف روش‌های موئینه‌ای و چرخشی که به جریان یا چرخش متکی‌اند، این روش بر اساس مقاومت سیال در برابر ارتعاش یک جسم (مثل میله، تیغه یا دیاپازون) که در سیال غوطه‌ور شده عمل می‌کند.

در این روش، یک سنسور درون سیال با فرکانس مشخصی شروع به ارتعاش می‌کند. هرچه سیال غلیظ‌تر باشد، مقاومت آن در برابر این ارتعاش بیشتر خواهد بود. دستگاه این مقاومت را از طریق تغییر در فرکانس، دامنه یا انرژی مورد نیاز برای حفظ ارتعاش ثبت می‌کند و با استفاده از ضرایب کالیبراسیون داخلی، آن را به مقدار ویسکوزیته تبدیل می‌کند. این سنسورها توسط تولیدکننده از پیش کالیبره شده‌اند و نیازی به محاسبه دستی ندارند.

این روش برای نمونه‌های کوچک، سیالات خطرناک یا ویسکوز بالا بسیار مناسب است و به دلیل سرعت و دقت بالا، در پایش مداوم فرایندها ارزش زیادی دارد.

 

اندازه‌گیری ویسکوزیته با استفاده از رئومترهای میکروفلوئیدیک

برخلاف ویسکومترهای موئینه‌ای یا چرخشی که تنها یک مقدار ویسکوزیته ارائه می‌دهند، رئومتر امکان تحلیل ویسکوزیته را در برابر نرخ برش، زمان یا تنش فراهم می‌کند. این ویژگی، رئومتر را به گزینه‌ای بی‌جایگزین برای بررسی مایعات غیرنیوتنی مانند ژل‌ها، کرم‌ها، سوسپانسیون‌ها، دوغاب‌ها، رنگ‌ها و سیالات زیستی تبدیل کرده است.

اساس عملکرد رئومتر، اعمال نیروی مکانیکی کنترل‌شده (تنش یا کرنش) به سیال و بررسی واکنش آن است. این نیرو از طریق انواع مختلفی از هندسه‌ها اعمال می‌شود؛ از جمله مخروط و صفحه، صفحات موازی یا استوانه‌های هم‌محور.

برای اندازه گیری ویسکوزیته از این روش، معمولاً مقدار بسیار کمی از نمونه (در حد ۰/۵ تا ۲ میلی‌لیتر) بین دو سطح قرار می‌گیرد که یکی ثابت و دیگری در حال چرخش یا نوسان است. دستگاه با اندازه‌گیری گشتاور و تغییر شکل حاصل، ویسکوزیته و سایر خواص رئولوژیکی سیال را به‌دست می‌آورد.

 

چگونه پمپ مناسب را بر اساس ویسکوزیته انتخاب کنیم؟

وقتی مقدار ویسکوزیته همراه با سایر پارامترهای عملکردی مشخص باشد، نوع پمپ مورد نیاز قابل تعیین است. به‌طور کلی برای سیالات با ویسکوزیته پایین، پمپ سانتریفیوژ مناسب‌تر است چون نیروی برشی بالا ایجاد می‌کنند. اما با افزایش ویسکوزیته، عملکرد پمپ باید با مقاومت بیشتر در برابر برش تطبیق داده شود. در این حالت، معمولاً کاهش اندکی در دبی، کاهش قابل توجه در فشار خروجی و افزایش محسوس در مصرف توان رخ می‌دهد.

در شرایطی که با سیالات غلیظ سروکار دارید، پمپ‌های جابجایی مثبت مثل پمپ دیافراگمی یا پمپ پیستونی گزینه‌ای قابل اعتماد و مناسب هستند. این پمپ‌ها معمولاً با سرعت پایین‌تر کار می‌کنند و انرژی برشی کمتری به سیال وارد می‌کنند. انواع مختلفی از پمپ‌های جابجایی مثبت وجود دارد که با توجه به نیاز فرایند انتخاب می‌شوند.

ویسکوزیته عاملی کلیدی در افت فشار ناشی از اصطکاک در سیستم‌های فرایندی و  تعیین دقیق اندازه‌ شیرها، فیلترها، تجهیزات اندازه‌گیری و لوله‌کشی‌هاست. منابع مرجع متعددی برای محاسبه افت فشار بر اساس دبی، اندازه لوله و ویسکوزیته وجود دارد. حتی داده‌هایی در دسترس است که اتصالات و شیرها را به معادل طول مستقیم لوله تبدیل می‌کند تا تحلیل دقیق‌تری به‌دست آید.

برای کار با سیالات غلیظ، هیچ چیز جای تجربه عملی را نمی‌گیرد. ترکیب اطلاعات تجربی با داده‌های ویسکوزیته، امکان تحلیل دقیق‌تری از ویژگی‌های سیستم انتقال سیال را فراهم می‌کند. پس از طراحی سیستم و تعریف مشخصات کاری پمپ، می‌توان با اطمینان پمپ مناسب را انتخاب کرد.

 

جمع بندی

محاسبه ویسکوزیته بلکه مشخص می‌کند یک سیال تحت حرکت، فشار یا گرما چگونه رفتار می‌کند. با اندازه گیری صحیح گرانروی مایع می‎توانید عملکرد جریان را پیش‌بینی کنید، پایداری سیستم را تضمین کنید و از خطاهای پرهزینه جلوگیری نمایید. هر روش ابزار خاص خودش را دارد، اما نکته کلیدی این است که روش متناسب با نوع سیال و کاربردتان را انتخاب کنید.

ویژگی‌های سیال، به‌خصوص ویسکوزیته، می‌توانند در انتخاب پمپ معادله را کاملاً تغییر دهند. پمپی که برای آب عملکرد عالی دارد، ممکن است در برابر مایعی غلیظ متوقف شود یا آسیب ببیند. ویسکوزیته بر افت فشار، دبی، مصرف انرژی و استهلاک تجهیزات اثر مستقیم دارد. نادیده گرفتن این فاکتور می‌تواند به تنظیم اشتباه کل سیستم منجر شود.

اگر برای انتخاب پمپ یا محاسبه دقیق ویسکوزیته نیاز به راهنمایی دارید، می‌توانید جهت دریافت مشاوره تخصصی با متخصصان ما تماس بگیرید. ما در کنار شما هستیم تا تصمیماتی مطمئن و مبتنی بر عملکرد واقعی بگیرید.

 

سؤالات متداول محاسبه ویسکوزیته

1. ویسکوزیته چیست و چرا برای انتخاب پمپ مهم است؟
   ویسکوزیته مقاومت سیال در برابر جریان است و در انتخاب نوع پمپ برای انتقال بهینه و بدون آسیب بسیار حیاتی است.
2. فرمول محاسبه ویسکوزیته چیست؟
   ویسکوزیته = (۲ × (چگالی گوی – چگالی مایع) × g × a²) ÷ (۹ × v)
3. چه عواملی بر ویسکوزیته تأثیر می‌گذارند؟
   دما، فشار، نوع سیال، نرخ برش، زمان، آلودگی نمونه و هندسه تجهیزات بر ویسکوزیته تأثیرگذارند.
4. تفاوت گرانروی دینامیکی و سینماتیکی چیست؟
   گرانروی دینامیکی، مقاومت داخلی سیال است. ویسکوزیته سینماتیکی، نسبت دینامیکی به چگالی. کاربردشان وابسته به نوع جریان و تحلیل است.
5. آیا می‌توان ویسکوزیته را بدون دستگاه خاص اندازه‌گیری کرد؟
   تقریباً خیر؛ بدون دستگاه دقیق نمی‌توان ویسکوزیته را با دقت و تکرارپذیری قابل قبول اندازه‌گیری کرد.
6. ویسکوزیته روغن چگونه محاسبه می‌شود؟
   ویسکوزیته روغن با دستگاه‌هایی مانند رئومتر یا ویسکومتر چرخشی و در دماهای مشخص اندازه‌گیری و محاسبه می‌شود.
7. رابطه بین ویسکوزیته و جریان سیال چیست؟
   ویسکوزیته هرچه بالاتر، جریان کندتر و مقاومت بیشتر. بر دبی، فشار و مصرف انرژی سیستم اثر می‌گذارد.
8.  آیا می توان ویسکوزیته مایعات را تغییر داد؟
   بله؛ با افزودن حرارت، افزودنی‌های شیمیایی یا تغییر فشار می‌توان ویسکوزیته مایعات را تغییر داد.
9. شیوه های اندازه گیری ویسکوزیته چیست؟
   روش‌های چرخشی، موئینه‌ای، رئولوژیکی، سقوط گوی، ویبره‌ای و روش‌های مبتنی بر زمان و دما متداول هستند.