Fluidos No Newtonianos: Clasificación, Modelos Reológicos y Medición de Propiedades

Clasificación de Fluidos No Newtonianos

Los fluidos no newtonianos (NN) pueden dividirse en tres amplias clases de materiales según su comportamiento reológico:

• 1. Fluidos independientes del tiempo

  Para estos fluidos, la velocidad de cizalladura es una función exclusiva del esfuerzo cortante instantáneo. Su viscosidad no cambia con la duración de la aplicación del esfuerzo.

• 2. Fluidos dependientes del tiempo (no elásticos)

  Son fluidos cuyo comportamiento en un momento determinado está influenciado por la historia reciente de esfuerzos a la que han sido sometidos. Parecen tener una "memoria" que se desvanece con el tiempo. Un ejemplo clásico es el kétchup: después de estar en reposo, es difícil de verter; sin embargo, tras agitarlo, fluye con facilidad. En estos casos, la velocidad de cizalladura es una función de la historia pasada del esfuerzo cortante.

• 3. Fluidos viscoelásticos

  Estos materiales combinan las propiedades elásticas de los sólidos con el comportamiento viscoso de los fluidos. La saliva y, en general, la mayoría de los fluidos biológicos son ejemplos de fluidos viscoelásticos. Para caracterizarlos completamente, el diagrama de esfuerzo cortante (τ) frente a la velocidad de cizalladura (du/dy) no es suficiente; se requieren experimentos transitorios para determinar sus propiedades elásticas.

Modelos Reológicos Comunes

Plásticos de Bingham

El perfil de velocidad para el flujo laminar de los plásticos de Bingham es una consecuencia directa de su particular relación entre esfuerzo y gradiente de velocidad. Estos materiales requieren un esfuerzo de fluencia mínimo para comenzar a fluir, lo que resulta en una región central de flujo en pistón.

En su modelado, si un parámetro m es igual a 1, significa que no se ha excedido la tensión de fluencia y, por tanto, no habrá flujo (la velocidad u = 0). La expresión matemática correspondiente solo tiene significado cuando m < 1.

Para el flujo turbulento, la información es limitada. Una aproximación común es utilizar la relación del factor de fricción de Fanning (fF) frente al número de Reynolds (Re) desarrollada para fluidos newtonianos. La estrategia para aplicar el balance de energía mecánica es la misma que para los fluidos newtonianos.

Fluidos de Ley de Potencia

Este modelo describe fluidos cuya viscosidad aparente depende de la velocidad de cizalladura, siguiendo una relación de potencia. Incluye fluidos pseudoplásticos (la viscosidad disminuye con la cizalladura) y dilatantes (la viscosidad aumenta con la cizalladura).

Plásticos Generales

Este término engloba modelos más complejos que los de Bingham o de ley de potencia, como el modelo de Herschel-Bulkley, que combina características de ambos al incluir un esfuerzo de fluencia y un comportamiento de ley de potencia una vez que el flujo comienza.

Determinación Experimental de las Propiedades de Flujo

Se utilizan principalmente tres tipos de aparatos, conocidos como viscosímetros o reómetros, para medir las propiedades de flujo de los fluidos no newtonianos.

Viscosímetro de Espacio Estrecho

Cuando la relación entre los radios del cilindro interior y exterior es cercana a 1, se puede utilizar la aproximación de lámina plana. En este caso, el par de torsión se relaciona con el esfuerzo de la siguiente manera:

Par de torsión = (Esfuerzo de cizalladura) × (Radio del péndulo) × (Área mojada)

Consideraciones:

• Calentamiento por fricción: Este aparato puede generar un calentamiento significativo debido a la fricción, lo que puede alterar las propiedades del fluido. A menudo es necesario un sistema de refrigeración.
• Flexibilidad limitada: No es muy flexible para manejar un amplio intervalo de esfuerzos de cizalladura.

Viscosímetro de Cilindro en un Medio Infinito

Este dispositivo es útil para determinar los parámetros de flujo de todos los fluidos no newtonianos independientes del tiempo.

Ventajas:

• Es rápido y fácil de usar.

Viscosímetro de Tubo (o Capilar)

Este aparato es muy versátil y permite explorar un amplio rango de valores de esfuerzo cortante.

Limitaciones:

• Es importante destacar que las ecuaciones de análisis asociadas a este método solo son aplicables en el régimen laminar.