Viscosité cinématique expliquée

qu’est-ce que la viscosité cinématique?

la viscosité cinématique est une mesure de la résistance interne d’un fluide à l’écoulement sous les forces gravitationnelles. Il est déterminé en mesurant le temps en secondes, nécessaire pour qu’un volume fixe de fluide s’écoule à une distance connue par gravité à travers un capillaire dans un viscosimètre calibré à une température étroitement contrôlée.

cette valeur est convertie en unités standard telles que centistokes (cSt) ou millimètres carrés par seconde., Les rapports de viscosité ne sont valables que lorsque la température à laquelle l’essai a été effectué est également indiquée – par exemple 23 cSt à 40 degrés C.

de tous les essais utilisés pour l’analyse des huiles usées, aucun n’offre une meilleure répétabilité ou cohérence que la viscosité. De même, il n’y a pas de propriété plus critique pour une lubrification efficace des composants que la viscosité de l’huile de base. Cependant, il y a plus à viscosité que rencontre l’oeil. La viscosité peut être mesurée et rapportée en tant que viscosité dynamique (absolue) ou en tant que viscosité cinématique. Les deux sont facilement confondus, mais sont significativement différents.,

la plupart des laboratoires d’analyse d’huile utilisée mesurent et signalent la viscosité cinématique. En revanche, la plupart des viscosimètres sur site mesurent la viscosité dynamique, mais sont programmés pour estimer et signaler la viscosité cinématique, de sorte que les mesures de viscosité rapportées reflètent les nombres cinématiques rapportés par la plupart des laboratoires et des fournisseurs d’huile de lubrification.,

étant donné l’importance de l’analyse de viscosité associée à la popularité croissante des instruments d’analyse d’huile sur site utilisés pour filtrer et compléter l’analyse d’huile en laboratoire hors site, il est essentiel que les analystes d’huile comprennent la différence entre les mesures de viscosité dynamique et cinématique.

de manière générale, la viscosité est la résistance d’un fluide à l’écoulement (contrainte de cisaillement) à une température donnée. Parfois, la viscosité est appelée à tort épaisseur (ou poids)., La viscosité n’est pas une mesure dimensionnelle, donc appeler une huile très visqueuse épaisse et une huile moins visqueuse mince est trompeur.

de même, signaler la viscosité à des fins de tendance sans référence à la température est absurde. La température doit être définie pour interpréter la lecture de viscosité. En règle générale, la viscosité est signalée à 40°C et/ou 100°C ou les deux si l’indice de viscosité est requis.,

équation de viscosité cinématique

Plusieurs unités techniques sont utilisées pour exprimer la viscosité, mais les plus courantes sont de loin le centistoke (cSt) pour la viscosité cinématique et le centipoise (cP) pour la viscosité dynamique (absolue). La viscosité cinématique en cSt à 40°c est la base du système de classement de viscosité cinématique ISO 3448, ce qui en fait la norme internationale. D’autres systèmes de viscosité cinématique courants tels que Saybolt Universal Seconds (SUS) et le système de classement SAE peuvent être liés à la mesure de la viscosité en cSt à 40°C ou 100°C.,

mesure de la viscosité cinématique

la viscosité cinématique est mesurée en notant le temps qu’il faut à l’huile pour traverser l’orifice d’un capillaire sous la force de gravité (Figure 1). L’orifice du tube de viscosimètre cinématique produit une résistance fixe à l’écoulement. Différents capillaires de taille sont disponibles pour supporter des fluides de viscosité variable.

le temps nécessaire pour que le fluide s’écoule à travers le tube capillaire peut être converti en viscosité cinématique à l’aide d’une simple constante d’étalonnage prévue pour chaque tube., La procédure dominante pour effectuer des mesures de viscosité cinématique est ASTM D445, souvent modifiée dans le laboratoire d’analyse d’huile usagée pour gagner du temps et rendre la mesure d’essai plus efficace.

mesure de la viscosité dynamique (viscosité absolue)

la viscosité dynamique est mesurée comme la résistance à l’écoulement lorsqu’une force externe et contrôlée (pompe, air sous pression, etc.,) force l’huile à travers un capillaire (ASTM D4624), ou un corps est forcé à travers le fluide par une force externe et contrôlée telle qu’une broche entraînée par un moteur. Dans les deux cas, la résistance à l’écoulement (ou au cisaillement) en fonction de la force d’entrée est mesurée, ce qui reflète la résistance interne de l’échantillon à la force appliquée, ou sa viscosité dynamique.

Il existe plusieurs types et modes de réalisation de viscosimètres absolus. La méthode rotative Brookfield illustrée à la Figure 2 est la plus courante., La mesure de la viscosité absolue a été utilisée pour des applications de recherche, le contrôle de la qualité et l’analyse des graisses dans le domaine de la lubrification des machines.

Les procédures pour tester la viscosité dynamique en laboratoire par la méthode Brookfield traditionnelle sont définies par les normes ASTM D2983, D6080 et autres. Cependant, la viscosité dynamique devient courante dans le domaine de l’analyse des huiles usées car la plupart des viscosimètres sur site vendus sur le marché mesurent aujourd’hui la viscosité dynamique, et non la viscosité cinématique., Les fournisseurs de viscosimètres dynamiques sur site sont Anton Paar, Kittiwake et Spectro Scientific.

de manière générale, la viscosité cinématique (cSt) se rapporte à la viscosité absolue (cP) en fonction de la densité du fluide (SG) selon les équations de la figure 3.

aussi simples et élégantes que soient ces équations, elles ne sont valables que pour les fluides dits newtoniens. De plus, la densité du fluide doit rester constante pendant la période de tendance., Aucune de ces conditions ne peut être supposée constante dans l’analyse de l’huile usée, de sorte que l’analyste doit être conscient des conditions dans lesquelles la variance peut se produire.

Viscosité cinématique: fluides newtoniens par rapport aux fluides Non newtoniens

un fluide newtonien est un fluide qui maintient une viscosité constante à tous les taux de cisaillement (la contrainte de cisaillement varie linéairement avec le taux de cisaillement). Ces fluides sont appelés newtoniens parce qu’ils suivent la formule originale établie par Sir Isaac Newton dans sa loi de la mécanique des fluides. Certains fluides, cependant, ne se comportent pas de cette façon. En général, ils sont appelés fluides non newtoniens., Fluides newtoniens figurent des gaz, l’eau, l’huile, l’essence et l’alcool.

un groupe de fluides non newtoniens appelés thixotropes présente un intérêt particulier dans l’analyse des huiles usagées car la viscosité d’un fluide thixotrope diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente. La viscosité d’un fluide thixotrope augmente à mesure que le taux de cisaillement diminue. Avec les fluides thixotropes, le temps de réglage peut augmenter la viscosité apparente comme dans le cas de la graisse. Voici des exemples de fluides non newtoniens:

• liquides épaississants en cisaillement: la viscosité augmente à mesure que le taux de cisaillement augmente., Par exemple, l’amidon de maïs, lorsqu’il est placé dans l’eau et agité, commence à se sentir plus épais avec le temps.
• liquides d’amincissement par cisaillement: la viscosité diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente. La peinture pour vos murs en est un bon exemple. Lorsque vous remuez la peinture, elle devient plus fluide.
• liquides thixotropes: deviennent moins visqueux lorsqu’ils sont agités. Des exemples courants de ceci sont le ketchup de tomate et le yaourt. Une fois secoués, ils deviennent plus fluides. Lorsqu’ils sont laissés seuls, ils reviennent à un État de gel.
• liquides Rhéopectiques: deviennent plus visqueux lorsqu’ils sont agités. Un exemple courant de ceci est l’encre d’imprimante.,quids (hausse des taux de cisaillement, viscosité plus élevée)
  Eau rhéofluidifiant liquides (plus haut taux de cisaillement, viscosité inférieur) Huile Thixotrope liquides (moins visqueux lorsqu’on l’agite) Essence Rheopectic liquides (devient plus visqueux lorsqu’on l’agite) Alcool

  Viscosité Cinématique: Un Exemple Pratique

  Imaginez que vous avez deux pots avant de vous un rempli avec de la mayonnaise, l’autre rempli avec du miel., Avec les deux pots fixés à la surface de la table avec du Velcro, imaginez-vous plonger des couteaux à beurre identiques dans chacun des fluides au même angle et à la même profondeur. Imaginez remuer les deux fluides en tournant les couteaux au même régime tout en gardant le même angle d’attaque.

  lequel des deux fluides était le plus difficile à remuer? Votre réponse devrait être le miel, qui est beaucoup plus difficile à remuer que la mayonnaise. Imaginez maintenant détacher les pots du Velcro sur la table et tourner les pots de leur côté. Qui sort du pot plus rapidement, du miel ou de la mayonnaise?, Votre réponse devrait être le miel; la mayonnaise ne coulera pas du tout en tournant le pot sur le côté.

  quel fluide est le plus visqueux, miel ou mayonnaise? Si vous avez dit mayonnaise, vous avez raison at au moins partiellement. De même, si vous avez dit miel vous sont partiellement correcte. La raison de l’anomalie apparente est que lors de la rotation du couteau dans les deux substances, le taux de cisaillement varie, tandis que tourner chaque pot de son côté mesure simplement la résistance statique à l’écoulement.,

  comme le miel est un fluide newtonien alors que la mayonnaise est non Newtonienne, la viscosité de la mayonnaise diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente ou que le couteau tourne. L’agitation soumet la mayonnaise à une forte contrainte de cisaillement, la faisant céder à l’action de forçage. Inversement, le simple fait de placer le pot sur le côté soumet la mayonnaise à une faible contrainte de cisaillement, ce qui entraîne peu ou pas de changement de viscosité, de sorte qu’elle a tendance à rester dans le pot.

  on ne peut pas mesurer classiquement la viscosité d’un fluide non newtonien., Il faut plutôt mesurer la viscosité apparente, ce qui tient compte de la vitesse de cisaillement à laquelle la mesure de viscosité a été effectuée. (Voir Figure 4) tout comme les mesures de viscosité n’ont pas de sens à moins que la température d’essai ne soit rapportée, les mesures de viscosité apparente n’ont pas de sens à moins que la température d’essai et le taux de cisaillement ne soient rapportés.

  par exemple, la viscosité de la graisse n’est jamais rapportée, plutôt la viscosité apparente de la graisse est rapportée en centipoises (cP)., (Remarque: la viscosité peut être indiquée pour l’huile de base utilisée pour fabriquer la graisse, mais pas pour le produit fini.)

  de manière générale, un fluide n’est pas newtonien s’il est constitué d’une substance en suspension (mais non dissoute chimiquement) dans un fluide hôte. Pour cela, il existe deux catégories de base, les émulsions et les suspensions colloïdales. Une émulsion est la coexistence physique stable de deux fluides non miscibles. La Mayonnaise est un fluide non newtonien commun, composé d’œufs émulsionnés en huile, le fluide hôte., Parce que la mayonnaise n’est pas Newtonienne, sa viscosité cède avec une force appliquée, ce qui la rend facile à étaler.

  une suspension colloïdale est constituée de particules solides en suspension stable dans un fluide hôte. De nombreuses peintures sont en suspension colloïdale. Si la peinture était Newtonienne, elle se répandrait facilement mais courrait si la viscosité est faible, ou se répandrait avec beaucoup de difficulté et laisserait des marques de brosse, mais ne courrait pas si la viscosité est élevée.

  parce que la peinture est non Newtonienne, sa viscosité cède sous la force du pinceau, mais revient lorsque le pinceau est enlevé., En conséquence, la peinture se propage avec une relative facilité, mais ne laisse pas de traces de pinceau et ne fonctionne pas.

  Viscosité dynamique vs cinématique: Quelle est la différence

  la viscosité dynamique détermine l’épaisseur du film fournie par l’huile. La viscosité cinématique est simplement une tentative commode d’estimer le degré d’épaisseur de film que l’huile peut fournir, mais a moins d’importance si l’huile est non Newtonienne.,

  

  de nombreuses formulations et conditions de lubrifiant produiront un fluide non newtonien, notamment:

  • additifs améliorant L’indice de viscosité (VI)-les huiles moteur à base minérale multigrades (sauf les huiles de base VI naturellement élevées) sont formulées avec un additif élastique qui est compact à basse température et se dilate à haute température en réponse à l’augmentation de la solvabilité du fluide. Parce que cette molécule additive est différente des molécules de l’huile hôte, elle se comporte de manière non Newtonienne.,

  • Contamination de L’eau – L’huile et l’eau libre ne se mélangent pas, pas chimiquement de toute façon. Mais dans certaines circonstances, ils se combineront pour former une émulsion, un peu comme la mayonnaise discutée plus tôt. Quiconque a vu de l’huile qui ressemble à du café avec de la crème peut attester de ce fait. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, la contamination de l’eau, lorsqu’elle est émulsionnée dans l’huile, augmente en fait la viscosité cinématique.,

  • sous-produits de dégradation thermique et oxydative – de nombreux sous-produits de dégradation thermique et oxydative sont insolubles, mais sont transportés par l’huile dans une suspension stable. Ces suspensions créent un comportement non newtonien.

  • Suie Couramment rencontrés dans les moteurs diesel, la suie est une particule qui entraîne une suspension colloïdale dans l’huile. L’additif dispersant de l’huile, conçu pour empêcher les particules de suie de s’agglomérer et de croître, facilite la formation d’une suspension colloïdale.,

  Si l’on mesurait la viscosité absolue d’une de ces émulsions ou colloïdes couramment rencontrés décrits ci-dessus avec un viscosimètre absolu à taux de cisaillement variable (par exemple, ASTM D4741), la mesure diminuerait à mesure que la vitesse de cisaillement augmente, jusqu’à un point de stabilisation.

  Si l’on divisait cette viscosité absolue stabilisée par la densité du fluide pour estimer la viscosité cinématique, la valeur calculée différerait de la viscosité cinématique mesurée., Encore une fois, les équations de la Figure 3 s’appliquent uniquement aux fluides newtoniens, et non aux fluides non newtoniens décrits ci-dessus, ce qui explique cette divergence.

  effets de la viscosité cinématique et de la densité

  examinez à nouveau les équations de la Figure 3. Les viscosités absolues et cinématiques d’un fluide newtonien sont liées en fonction de la densité du fluide. Considérons l’appareil de la Figure 1, l’ampoule qui contient l’huile échantillon, qui est libérée lorsque le vide est éliminé, puis produit une tête de pression qui entraîne l’huile à travers le tube capillaire.,

  peut-on supposer que tous les fluides produiront la même pression? Non, la pression est fonction de la densité du fluide, ou du poids par rapport au poids d’un volume d’eau identique. La plupart des huiles lubrifiantes à base d’hydrocarbures ont une densité de 0,85 à 0,90. Cependant, cela peut changer avec le temps lorsque l’huile se dégrade ou devient contaminée (glycol, eau et métaux d’usure par exemple), ce qui produit un différentiel entre les mesures de viscosité absolue et cinématique.

  considérez les données présentées dans le tableau 2., Chacun des nouveaux scénarios pétroliers est identique, et dans les deux cas, la viscosité absolue augmente de 10%, généralement la limite de condamnation pour un changement de viscosité. Dans le scénario A, la variation modeste de la densité entraîne un léger différentiel entre la viscosité absolue mesurée et la viscosité cinématique.

  Ce différentiel pourrait légèrement retarder le déclenchement de l’alarme de vidange d’huile, mais ne causerait pas beaucoup d’erreur. Cependant, dans le scénario B, le différentiel est beaucoup plus grand. Ici, la densité augmente de manière significative, ce qui entraîne une augmentation mesurée de 1.,5 pour cent en viscosité cinématique, contre une augmentation de 10 pour cent mesurée avec un viscosimètre absolu.

  il s’agit d’une différence importante qui pourrait amener l’analyste à considérer la situation comme non déclarable. L’erreur qui a été faite est l’hypothèse dans les deux scénarios, que l’restent fluides Newtoniens.

  en raison des nombreuses possibilités de formation de fluides non newtoniens, le véritable paramètre d’intérêt pour l’analyste du pétrole et le technicien du lubrifiant devrait être la viscosité absolue. C’est ce qui détermine l’épaisseur du film du fluide et le degré de protection des surfaces des composants., Dans un souci d’économie, de simplicité et du fait que de nouvelles procédures d’essai de lubrifiant sont couramment empruntées pour l’analyse des huiles usagées, la viscosité cinématique de l’huile est le paramètre mesuré utilisé pour déterminer les tendances et prendre des décisions en matière de gestion des lubrifiants. Cependant, dans certains cas, cela peut introduire des erreurs inutiles dans la détermination de la viscosité d’une huile.

  Le problème peut être réduit à de simples mathématiques. Comme le suggèrent les équations de la Figure 3, la viscosité absolue et la viscosité cinématique sont liées en fonction de la densité de l’huile., Si la viscosité et la densité sont dynamiques, mais qu’une seule est mesurée, une erreur se produira et la viscosité cinématique ne fournira pas une évaluation précise de la variation de la viscosité absolue du fluide, le paramètre d’intérêt. La quantité d’erreur est fonction de la quantité de changement dans le paramètre non mesuré, la densité.,

  Conclusions importantes concernant la viscosité cinématique

  on peut tirer les conclusions suivantes de cette discussion sur la mesure de la viscosité:

  • en supposant que le laboratoire mesure la viscosité par des méthodes cinématiques, l’ajout de la mesure de la densité à un programme d’analyse d’huile de laboratoire de routine aidera à éliminer cette variable dans l’estimation de la viscosité absolue à partir de la viscosité cinématique mesurée.

  • lorsque vous utilisez un viscosimètre sur site, ne recherchez pas un accord complet entre le viscosimètre cinématique du laboratoire et l’instrument sur site., La plupart de ces appareils mesurent la viscosité absolue (cP) et appliquent un algorithme pour estimer la viscosité cinématique (cSt), en maintenant souvent la densité constante. Envisagez de suivre les résultats du viscosimètre sur site dans cP.
    c’est le paramètre mesuré, et il permet de différencier la tendance sur site de la tendance des données produites par le laboratoire avec un viscosimètre cinématique. N’essayez pas d’obtenir un accord parfait entre les mesures de viscosité sur site et en laboratoire. Il est futile et génère peu de valeur. Au mieux, recherchez une corrélation lâche., Toujours baseline la nouvelle huile avec le même viscosimètre que vous utilisez avec l’huile en service.

  • reconnaître que les fluides non newtoniens n’offrent pas la même protection de film pour une viscosité cinématique donnée qu’un fluide newtonien de même viscosité cinématique. Étant donné que la viscosité d’un fluide non newtonien varie avec le taux de cisaillement, la résistance du film est affaiblie sous la charge et la vitesse de fonctionnement., C’est l’une des raisons pour lesquelles l’eau émulsionnée augmente le taux d’usure des composants tels que les roulements, où la résistance du film fluide est critique (bien sûr, l’eau provoque également d’autres mécanismes d’usure tels que la cavitation vaporeuse, la rouille et la fragilisation par l’hydrogène et les cloques).

  La viscosité est une propriété critique du fluide, et la surveillance de la viscosité est essentielle à l’analyse de l’huile. Les techniques de mesure de viscosité dynamique et cinématique peuvent produire des résultats très différents lors des tests d’huiles usagées., Assurez-vous que les tenants et les aboutissants de la mesure de la viscosité et du comportement du fluide visqueux sont compris afin que des décisions précises en matière de lubrification puissent être prises.

  

  a Propos de l’Auteur