非牛顿流体的流动.
非牛顿流体的研究性学习
非牛顿流体
科技名词定义
中文名称：非牛顿流体
英文名称： non-Newtonian fluid
定义：黏度系数在剪切速率变化时不能保持为常数的流体。所属学科：机械工程（一级学科）；分析仪器（二级学科）；物性分析仪器-物性分析仪器一般名词（三级学科）
（本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布）
牛顿1687年发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。
实验是在两平行平板间充满水时进行的(图1)，下平板固定不动，上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时附于上下平板的流体质点的速度分别为U和0，两平板间的速度呈线性分布。由此得到了著名的牛顿粘性定律
相关理论
斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性、流体静止时应变率为零的三项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程，以及现被广泛应用的纳维－斯托克斯方程。后来人们在进一步的研究中知道，牛顿粘性实验定律(以及在此基础上建立的纳－斯方程)
对于描述像水和空气这样低分子量的流体是适合的，而对描述具有高分子量的流体就不合适了，那时剪应力与剪切应变率之间已不再满足线性关系。为区别起见，人们将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。
早在人类出现之前，非牛顿流体就已存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。现在去医院作血液测试的项目之一，已不再说是“血粘度检查”，而是“血液流变学检查”(简称血流变)，这就是因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间不再是线性关系，已无法只给出一个斜率(即粘度)来说明血液的力学特性。
非牛顿流体及其奇妙特性
现在去医院作血液测试的项目之一，己不再是“血黏度检查”，而是“血液流变学捡查”（简称血流变），为什么会有这样的变化呢？这就要从非牛顿流体谈起。
英国科学家牛顿于1687年，发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。实验是在两平行平板间充满水时进行的，下平板固定不动，上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时，附着于上、下平板的流体质点的速度，分别是U和0，两平板间的速度呈线性分布，斜率是黏度系数。由此得到了著名的牛顿黏性定律。
斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量
是应变率张量的线性函数、流体各向同性及流体静止时应变率为零的三项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程，以及被广泛应用的纳维-斯托克斯方程（简称：纳斯方程）。
后来人们在进一步的研究中知道，牛顿黏性实验定律（以及在此基础上建立的纳斯方程），对于描述像水和空气这样低分子量的简单流体是适合的，而对描述具有高分子量的流体就不合适了，那时剪应力与剪切应变率之间己不再满足线性关系。为区别起见，人们将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间己不再是线性关系，己无法只给出一个斜率（即黏度）来说明血液的力学特性，只好作血流变学测试，给出二者间的非线性关系。
形形色色的非牛顿流体
早在人类出现之前，非牛顿流体就己存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的“半流体”，都属于非牛顿流体。
近几十年来，促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一，是聚合物工业的发展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等，都是非牛顿流体。
石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再生溶液、钻井用的洗井液和完井液、磁浆、某些感光材料的涂液、
泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛顿流体。
非牛顿流体在食品工业中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、菜汤、浓糖水、酱油、果酱、炼乳、琼脂、土豆浆、熔化巧克力、面团、米粉团、以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料。
综上所述，在日常生活和工业生产中，常遇到的各种高分子溶液、熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等复杂性质的流体，差不多都是非牛顿流体。有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，加入一些聚合物，在改进其性能的同时，也将其变成为非牛顿流体，如为提高石油产量使用的压裂液、新型润滑剂等。
现在也有人将血液、果浆、蛋清、奶油等这些非常黏稠的液体，牙膏、石油、泥浆、油漆、各种聚合物（聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等）溶液等非牛顿流体，称为软物质。
【研究目的】(1)初步了解非牛顿流体的制备方法与识别标准
(2)初步认识非牛顿流体的特殊性质
(3)非牛顿流体的创新应用
【器材】淀粉，水，硬质小球，两容器，一表面光滑的长棍，一中空导管一碟一碗一杯一筷子
【研究过程】1以淀粉：水=3：1的比例先加水后加淀粉混合两物质，搅拌的淀粉糊(非牛顿流体)
2用一保鲜袋包着穿个洞再再用力挤.
3再使其自由流下
4在一只有粘弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，把实验杆插进流体中再旋转。
5把流体装进一杯中,微向侧倾致有流体留下,再立正.
6用一重球从高处落下打到流体上。
【总结与思考】
【本研究查的资料】(1)淀粉糊型非’的制法
(2)非’的辨别标准
(3)非牛顿流体特性及研究
3.1 射流胀大
(4)如果非牛顿流体被迫从一个大容器流进一根毛细管，再从毛细管
流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大
3.2爬杆效应
在一只有粘弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验杆。对于牛顿流体，由于离心力验的作用，液面将呈凹形；而对于粘弹性流体，却向杯中心运动，并沿杆向上爬，液面变成凸形。甚至在实验杆的旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。
3.3无管虹吸将管子慢慢地从容器里拔起时，可以看到虽然管子已不再插在流体里，流体仍源源不断地从杯中抽起，继续流进管里。甚至更简单地，连虹吸管都不要，将装满该流体的烧杯微倾，使流体流下，这过程一旦开始，就不会中止，直到杯中流体都流光。
3.4连滴效应(其自由射流形成的小滴之间有液流小杆相连)
3.5拔丝性(能拉伸成极细的细丝，可见笔者另一文“春蚕到死丝方尽”)
3.6剪切变稀
3.7液流反弹
非牛顿流体的奇妙特性及应用
射流胀大
如果非牛顿流体被迫从一个大容器，流进一根毛细管，再从毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大。射流的直径与毛细管直径之比，称为模片胀大率（或称为挤出物胀大比）。对牛顿流体，它依赖于雷诺数，其值约在0.88～1.12之间。而对于高分子熔体或浓溶液，其值大得多，甚至可超过10。一般来说，模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数。
模片胀大现象，在口模设计中十分重要。聚合物熔体从一根矩形截面的管口流出时，管截面长边处的胀大，比短边处的胀大更加显著。尤其在管截面的长边中央胀得最大。因此，如果要求生产出的产品的
截面是矩形的，口模的形状
就不能是矩形，而必须是四
边中间都凹进去的形状。
这种射流胀大现象，也
叫Barus效应，或
Merrington效应。
图 1 奶酪生产情景：
奶酪从管中流出后马上胀
大
爬杆效应
1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公开表演了一个有
趣的实验：在一只有
黏弹性流体（非牛顿
流体的一种）的烧杯
里，旋转实验杆。对
于牛顿流体，由于离
心力的作用，液面将
呈凹形；而对于黏弹
性流体，却向杯中心
流动，并沿杆向上爬，液面变成凸形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。
爬杆效应也称为Weissenberg效应。在设计混合器时，必须考虑爬杆效应的影响。同样，在设计非牛顿流体的输运泵时，也应考虑和利用这一效应。
图 2 爬杆效应实验：左为牛顿流体，右为黏弹性流体
无管虹吸
对于牛顿流体来说，在虹吸实验时，如果将虹吸管提离液面，虹吸马上就会停止。但对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的轻微凝肢体系等，都很容易表演无
管虹吸实验。将管子慢慢地从容器
拨起时，可以看到虽然管子己不再
插在液体里，液体仍源源不断地从
杯中抽出，继续流进管里。甚至更
简单些，连虹吸管都不要，将装满
该液体的烧杯微倾，使液体流下，
该过程一旦开始，就不会中止，直
到杯中液体都流光。这种无管虹吸
的特性，是合成纤维具备可纺性的
基础。
图 3 无管缸吸：对于化纤生
产有重要意义
湍流减阻
非牛顿流体显示出的另一奇妙性质，是湍流减阻。人们观察到，
如果在牛顿流体中
加入少量聚合物，
则在给定的速率
下，可以看到显著
的压差降。湍流一
直是困扰理论物理
和流体力学界未解
决的难题。然而在
牛顿流体中加入少
量高聚物添加剂，
却出现了减阻效
应。有人报告：在
加入高聚物添加剂后，测得猝发周期加大了，认为是高分子链的作用。
减阻效应也称为Toms效应，虽然其道理尚未弄得很清楚，却己有不错的应用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。应用高聚物添加剂，还能改善气蚀发生过程及其破坏作用。
图 4 湍流减阻：在同样动力下两幅消防水龙头喷水。上图为未
添加聚乙烯氧化物的情形，下图为添加聚乙烯氧化物后的情形
非牛顿流体除具有以上几种有趣的性质外，还有其他一些受到人们重视的奇妙特性，如拔丝性（能拉伸成极细的细丝），剪切变稀，连滴效应（其自由射流形成的小滴之间有液流小杆相连），液流反弹等。
由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、效率和产品质量，也涉及人本身的生活和健康，所以越来越受到科学工作者的重视。1996年8月在日本京都国际会议中心，召开的第19届国际理论与应用力学大会（IUTAM ）上，非牛顿流体流动是大会的6个重点主题之一，也是流体力学方面参与最踊跃的主题。Grochet 邀请报告的观点是，高分子溶液和熔体的特性远异于牛顿流体，并认为对这些异常特性的研究，都是带有挑战性的课题。
（原刊登于《物理教学》2002年24卷3期）
1、牛顿流体
流体流动时切应力和速度梯度之间的关系符合牛顿内摩擦定律的流体。
dy du
μ
τ±=
2、非牛顿流体
流体流动时切应力和速度梯度之间的关系不符合牛顿内摩擦定律的流体。
3、非牛顿流体的分类
粘弹性流体
动之中的、弹性变形寓于粘性流震凝性流体触变性流体流体、流变性与时间有关的膨胀性流体屈服假塑性流体屈服膨胀流体
假塑性流体
塑性流体流体、流变性与时间无关的非牛顿流体????
????
??
????????
???
??????????--321
二、流变性、流变方程和流变曲线 流变性：流体流动和变形的特性。
流变方程：描述切应力与速度梯度之间关系的方程式。
流变曲线：在直角坐标中表示流体切应力和速度梯度之间变化关系的实验曲线。
1、牛顿流体（A ） 流变方程：
dy du
μ
τ±=特点：
（1）受到外力作用就流动；
（2）在恒温恒压下，τ与dy du
的比值为常数即粘度为常数；
（3）流变曲线是通过原点的直线，其斜率为动力粘度的倒数，即
μα1
tan =
2、塑性流体（B ） 流变方程（宾汉公式）：）
适用于流变曲线直线段(0dy
du
p
ηττ+=
特点：
（1）塑性流体的流变性与牛顿流体不同，受力后，不能立即变形流动。
（2）流动初期切应力与速度梯度之间呈曲线关系，粘度随切应力增大而降低，随速度梯度的增大，切应力逐渐减弱，最后接近牛顿流体，成直线关系，流体的粘度不再随切应力的增加而变化，称为塑性粘度。 （3）塑性流体存在两个极限应力
极限静切应力---使塑性流体开始流动的最小切应力。
极限动切应力---塑性流体流变曲线直线段的延长线与横坐标轴的交点对应的切应力，是塑性流体流动时经常克服的与粘度和速度梯度无关的定值切应力。
（4）塑性流体的塑性粘度和视粘度
塑性粘度---p η与液体内部网状结构有关。流体内部出现相对速度以后，由于内部网状结构遭到拆散，网状结构的拆散程度随切应力的增加而增加，粘度随切应力的增加而降低。随着网状结构拆散程度增加，可供拆散的网状结构减少，拆散速度也变小。同时由于被拆散的网状结构增加了，彼此之间重新恢复网状结构的机率增加。当拆散速度与重新恢复速度相等时，成为平衡状态，粘度将保持常数，即流变曲线上的直线段部分，这个稳定的粘度称为~。 视粘度---p
η为了便于同牛顿流体相互比较
p
dy
du dy
du ηττ
η+=
=
//0
-----------视粘度随剪切速率变化。 3、幂律流体（A 、C 、D ）
流变方程（幂律方程）：
n
dy du k ?
???
??=τ 示偏离牛顿流体的程度流变指数，无量纲，表性质，稠度系数，取决于流体--?--n s Pa k n
??
?
??>=<），膨胀流体（）
，牛顿流体（）
，假塑性流体（幂律流体D n A n C n 111
（1）假塑性流体的特点
受力后立即流动，流变曲线经原点，因其结构性较弱，随着剪切速度的增加，网状结构被破坏，质点的相互位置得到调整，并顺着流动方向定向，导致施加于流体的切应力相互减少，从而使流变曲线凹向切应力轴，粘度下降，愈拌愈稀，这种特性称为剪切稀释性。
（2）膨胀流体的特点
受力后立即流动，流变曲线经原点。所含颗粒形状极不规则，静止时紧密排列的颗粒嵌入邻近层的空隙中，流动后随着剪切速度的增加，中间层颗粒来不及嵌入邻近的空隙中就被稳定推过，因而发生膨胀，粘度增加，即愈拌愈稠。这种特性称为剪切增稠性。停止剪切后马上恢复，流变曲线凸向切应力轴。
4、流变性与时间有关的非牛顿流体
（1）触变性流体
在一定剪切速度下，随时间增加而切应力下降，即粘度降低，由稠变稀，达到某时刻以后，切应力不再变化，形成动平衡。
触变性流体震凝性流体（2）震凝性流体
在一定剪切速度下，随时间增加而切应力上升，即粘度增加，由稀变稠，达到某时刻以后，切应力不再变化，形成动平衡。
5、粘弹性流体
粘弹性流体既具有粘性，又具有弹性。表现为自漏斗流出后，流束变粗，发生膨胀；搅拌时如停止搅拌表现有弹性反转，其粘度用一般粘度计无法测定。
三、非牛顿流体的研究方法
与牛顿流体的研究方法基本上是类似的，在管流中连续性方程、伯努利方程、动量方程以及划分流态的原则都是相一致的，在分析时应用力学中研究物体平衡方法也是相同的。
区别仅在于所依据流变方程各有不同，从而雷诺数表达式也各有不同。
第二节 塑性流体
一、塑性流体由静止到运动，随着流速由小变大，有四种流动状态。即塞流、结构流、层流和湍流。
1、塞流：当塑性流体半径R 处的推动力超过了由于极限静切应力所引起的阻力时，流体整体象活塞一样在管内流动，称为流核。
2、结构流：随两端压差增大，小于半径R 的各流层依次开始流动，形成塞流的流核半径逐渐缩小，而流核以外部分各流层间速度不同，形成流速梯度为梯度区。
3、层流、湍流：两端的压差再增大，流核全部消失，梯度区扩大形成层流；随两端压差继续增大，则由层流变为湍流。
二、结构流时圆管内的计算公式 （1）切应力
L pr 2=
τ梯度区内： L pr 200=
τ流核表面上：
（2）流速：
()()[]
2
0204r r r R L p
u p
---=
η梯度区内：
()2
004r R L p
u p
-=
η流核速度：
（3）流量
????
??+-?=6322440034r r R R L p Q p ηπ ?
?? ??-?=R r L pR Q p 341804ηπ
（4）断面平均流速
?
?? ??-?=R r L pR V p 341802η
（5）水力坡降
gD gD V i p
ρτρη316320
2
+
=
粘性流体层流的水力坡降 塑性流体网状结构引起
的水力坡降
（6）水头损失的计算
???? ?
?+=
V
D VD
R p P e ητηρ610
综
?????>≤湍流结构流综综:2000:2000e e R R
??
??
??
?
=
==62125.0642综综湍流：结构流：e e f R R g V D L h λλλ g V h j 22
ξ
=
非牛顿型流体的分类
4． 非牛顿型流体的分类 非牛顿型流体是一大类实际流体的统称。一般地说，凡流动性能不能用方程（2-2）来描述的流体，统称为非牛顿型流体。 在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流体分为： 纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。 粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。 流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。 4． 1 Bingham 塑性体 Bingham 可塑性质。只有当外界施加的应力超过屈服应力y σ，物体才能流动。 流动方程为： ???≥-<=y y y σσησσσσγ/)(0& （2-74） 说明：有些Bingham 塑性体，在外应力超过y σ开始流动后，遵循Newton 粘度定律，流动方程为： γησσ&p y += （2-75） 称为普通Bingham 流体，p η为塑性粘度。 有些Bingham 塑性体，开始流动后，并不遵循Newton 粘度定律，其剪切粘度随剪切速率发生变化，这类材料称为非线性Bingham 流体。 特殊地，若流动规律遵从幂律，方程为
n y K γσσ&+= （2-76） 则称这类材料为Herschel-Bulkley 流体。 图2-16 Bingham 流体的流动曲线 牙膏、油漆是典型Bingham 塑性体。油漆在涂刷过程中，要求涂刷时粘度要小，停止涂刷时要“站得住”，不出现流挂。因此要求其屈服应力大到足以克服重力对流动的影响。润滑油、石油钻探用泥浆，某些高分子填充体系如碳黑混炼橡胶，碳酸钙填充聚乙烯、聚丙烯等也属于或近似属于Bingham 流体。 填充高分子体系出现屈服现象的原因可归结为，当填料份数足够高时，填料在体系内形成某种三维结构。如CaCO 3形成堆砌结构，而碳黑则因与橡 胶大分子链间有强烈物理交换作用，形成类交联网络结构。这些结构具有一定强度，在低外力下是稳定的，外部作用力只有大到能够破坏这些结构时，物料才能流动。 混炼橡胶的这种屈服性对下一步成型工艺及半成品的质量至关重要。如混炼丁基橡胶挤出成型轮胎内胎时，碳黑用量适量，结构性高，则混炼胶屈服强度高，内胎坯的挤出外观好，停放时“挺性”好，不易变形、成摺或拉薄。 4．2 假塑性流体 绝大多数高分子液体属假塑性流体。流动的主要特征是流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率增大，粘度反常地减少——剪切变稀。 典型高分子液体的流动曲线见图2-17。曲线大致可分为三个区域： 当剪切速率0→γ&时，γσ&-呈线性关系，液体流动性质与Newton 型流体
非牛顿型流体的分类
4． 非牛顿型流体的分类 非牛顿型流体是一大类实际流体的统称。一般地说，凡流动性能不能用方程（2-2）来描述的流体，统称为非牛顿型流体。 在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流体分为： 纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。 粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。 流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。 4． 1 Bingham 塑性体 Bingham 因此具有塑性体的可塑性质。只有当外界施加的应力超过屈服应力y σ，物体才能流动。 流动方程为： ???≥-<=y y y σσησσσσγ/)(0& （2-74） 说明：有些Bingham 塑性体，在外应力超过y σ开始流动后，遵循Newton 粘度定律，流动方程为： γησσ&p y += （2-75） 称为普通Bingham 流体，p η为塑性粘度。 有些Bingham 塑性体，开始流动后，并不遵循Newton 粘度定律，其剪切粘度随剪切速率发生变化，这类材料称为非线性Bingham 流体。 特殊地，若流动规律遵从幂律，方程为 n y K γσσ&+= （2-76）
则称这类材料为Herschel-Bulkley 流体。 图2-16 Bingham 流体的流动曲线 牙膏、油漆是典型Bingham 塑性体。油漆在涂刷过程中，要求涂刷时粘度要小，停止涂刷时要“站得住”，不出现流挂。因此要求其屈服应力大到足以克服重力对流动的影响。润滑油、石油钻探用泥浆，某些高分子填充体系如碳黑混炼橡胶，碳酸钙填充聚乙烯、聚丙烯等也属于或近似属于Bingham 流体。 填充高分子体系出现屈服现象的原因可归结为，当填料份数足够高时，填料在体系内形成某种三维结构。如CaCO 3形成堆砌结构，而碳黑则因与 橡胶大分子链间有强烈物理交换作用，形成类交联网络结构。这些结构具有一定强度，在低外力下是稳定的，外部作用力只有大到能够破坏这些结构时，物料才能流动。 混炼橡胶的这种屈服性对下一步成型工艺及半成品的质量至关重要。如混炼丁基橡胶挤出成型轮胎内胎时，碳黑用量适量，结构性高，则混炼胶屈服强度高，内胎坯的挤出外观好，停放时“挺性”好，不易变形、成摺或拉薄。 4．2 假塑性流体 绝大多数高分子液体属假塑性流体。流动的主要特征是流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率增大，粘度反常地减少——剪切变稀。 典型高分子液体的流动曲线见图2-17。曲线大致可分为三个区域： 当剪切速率0→γ&时，γσ&-呈线性关系，液体流动性质与Newton 型流体相仿，粘度趋于常数，称零剪切粘度0η。这一区域称线性流动区，或第
牛顿流体与非牛顿流体的区别
牛顿流体与非牛顿流体的区别 上周我讲了粘度的概念，根据牛顿模型,即公式：粘度=剪切力/剪切率。 这是旋转式粘度计的测量原理。而实验室测量粘度方法基本都是旋转式测量;其他测量粘度方法请参考ＰPT。 本周我们要说的内容就是流变原理，但是万变不离其宗，还是围绕粘度定义的公式来说。因为粘度的变化多变,这才有粘度计、流变仪的发展空间。下面介绍的内容就是流变学的一部分----流体变化特性。 一、牛顿流体与非牛顿流体: 根据牛顿的理论,流体的粘度值都是恒定不变的，如水、酒精、轻质油等。 实际上,通过后人的研究发现流体的粘度并不是恒定不变的。 牛顿流体的粘度：剪切力/剪切率=恒定值; 非牛顿流体粘度:剪切力/剪切率≠恒定值；即粘度是个变化量；引起其变化的常见的因素是剪切率、时间等。 二、流变曲线： 事实上大多数的流体是非牛顿流体，物料随着剪切率或时间的变化会改变。因此，在一定的条件下测量的粘度值不一样，所测得的粘度值是个曲线而不是一个恒定的常数。 牛顿流体的曲线: 剪切力/剪切率＝tanα是个常数; 非牛顿流体的粘度曲线大致分两类，一种是剪切变稠，一种是剪切变稀； 剪切变稀指的是随剪切率的增加粘度减小，物料越剪切越稀,剪切变稠与此相反; 具体分有六种，如下:(imaｇing alｌ tｈesｅ eｘamples) 1）假塑性:如酱,纸浆等； 特点:粘度随剪切率的增加而减小;粘度随剪切率的减小而增加； 剪切率的变化不管增大或是减少,都在同一条曲线上，这种特性叫假塑性。
2）塑性:如口香糖，焦油等； 特性描述:粘度随剪切率增加而减少； 剪切力达到一定值时方才有剪切率的变化;如图中的yield部分，我们称之为屈服应力。流体克服屈服应力后方才产生流动变形。单向。 口香糖正常状态下是固体，你咬了一口后马上软化，咬下那一口的力就是物料的屈服应力。 3）膨胀性:如花生浆,湿沙子等; 特性：剪切变稠,如湿的沙子，粘度随着剪切率的增加而增大； 剪切率越高，剪切力越大； 4）触变性:如蜜糖，猪油，淀粉等; 特性：粘度随时间变化减少，剪切变稀。 相同剪切率下，剪切率减小时粘度小于剪切率增加时的粘度。
(完整版)非牛顿流体的分类
姓名：高墨尧学号：20150614 专业：农业机械化 非牛顿流体的分类 根据非牛顿流体的粘度函数是否和剪切时间有关，可以把非牛顿流体分成两大类：非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。 1、非时变性非牛顿流体 这类流体的切应力仅与剪切速率有关，即粘度函数仅与应变速率或（切应力）有关，而与时间无关。非时变性非牛顿流体主要包括： 假塑性流体：粘度随剪切速率的增大而降 低。特点： （1）在直角坐标系中，其流变曲线为凹向 剪切速率轴的且通过原点的一条曲线。 （2）τ和γ&是一一对应的，即受力就有流 动，但τ与γ&的变化关系不成比例（即不符合 牛顿流体内摩擦定律，故为非牛顿流体）。随着γ&的增加，τ的增加率逐渐降低。 胀塑性流体：粘度随剪切速率的增大而增 大。特点： （1）在直角坐标系中，膨肿性流体的流变 曲线为通过坐标原点且凹向剪切应力轴的曲线， 如图所示。 （2）一受力就有流动，但剪切应力与剪切 速率的不成比例，随着剪切速率的增大，剪切 应力的增加速率越来越大，即随着剪切速率的增大，流体的表观粘度增大，这种特性被称为剪切增稠性。因此，膨肿性流体具有剪切增稠性。 宾汉流体：理想粘塑性流体,存在一定程度的屈服应力。特点： （1）流变曲线如图所示，为一条直线，但直线不通过坐标原点，而是与剪τ处相交。 切应力轴在 B
τ时，宾汉 （2）当对流体施加的外力τ< B 姆流体并不产生流动，体积只产生有限的变形， τ时，体系才产生流动。且流动后 只有当τ> B τ是使体系产生流动所需 流体具有剪切稀释性。 B 要的最小剪切应力，即使流体产生大于0的剪切 速率所需要的最小剪切应力，称之为屈服值。屈 服值的大小是体系所形成的空间网络结构的性质所决定的。 凡是具有屈服值的流体均称为塑性流体，外力克服其屈服值而产生的流动称为塑性流动。 2、时变性非牛顿流体 这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关,而且还与剪切持续时间有关。大致可分为两类： 触变性和流凝性流体：随着切应力作用时间的延长，表观粘度越来越小的流体叫做触变性流体随着切应力作用时间的延长，表观粘度越来越大的流体叫做流凝性流体，这种流体在实际中非常少见。其特点： （1）流体的表观粘度随剪切时间而下降 （2）流体的表观粘度随时间而增长 （3）反复循环剪切流体可得滞回环 （4）无限循环剪切流体可得到平衡滞回环 粘弹性流体：粘弹性流体同时具有粘性液体和弹性固体的性质，哪种性质的表现程度如何要取决于外力作用时间的快慢长短。其现象： （1）爬杆现象 （2）挤出胀大现象 （3）同心套管轴向流动现象 （4）回弹现象 （5）无管虹吸现象 （6）汤姆孙减阻效应 以上就是非牛顿流体的分类，而我们平时接触的大多数物料也都是非牛顿流
非牛顿流体是受粘度和剪切速率支配的流体
聚丙烯涂覆料生产及应用非牛顿流体是受粘度和剪切速率支配的流体 高粘度的高聚物，都表现非牛顿流体行为。 粘度随剪切速率的增大而降低的非牛顿流体，称之为假塑性流体。另一种非牛顿流体，其粘度随剪切速率的增大而增大，称之为膨胀流体。熔体指数也能间接表征高聚物分子量大小。 高聚物的分子量分布可用熔体流动速率值之比来测定。 聚丙烯的HI值在10~40之间，同时也能反映出高聚物的膨胀比。（SR） 分子量和分子量的分布是高聚物基本结构参数之一，与力学性能密切相关。 许多重要的力学性能，如拉伸强度，冲击强度，弹性模量，硬度、抗应力开裂性以及粘合强度等，都随高聚物分子量的增大而提高。 高聚物的产品加工过程对分子量的依赖性非常大。 某一极限分子量以上时，如果零切边速率下的重均分子量增加10倍，则熔体粘度将增大两千倍。 上面所说非牛顿性，就跟分子量有依赖性。表现在加工中弹性行为离模膨胀，熔体破裂等不稳定流动现象。 了解了高聚物的分子量和分子量的分布，对高分子材料的选择及其加工工艺条件的确定，都能有所帮助。 聚丙烯：根据聚合方法可分为均聚聚丙烯和共聚聚丙烯两大类。复纸类选用均聚，编织布、纸或无纺布可选用均聚或共聚聚丙烯。一
般来说均聚优于共聚，但不是绝对的。 要求： 1、树脂应有优良的熔体流动性。 2、树脂应具有一定的熔体强度。 3、树脂热稳定性较好。用好抗氧剂，防止热氧化降解。 4、树脂中不宜含有过量的润滑剂。 5、树脂中不宜含有“晶点”和外来杂质。 聚丙烯是等规高结晶的高聚物，在塑料扁丝制造中，为了提高晶度以增大扁丝强度，冷却速率必须缓慢，而生产薄膜时或复合时，为了降低结晶，或达到透明性，则应采取急冷（猝冷）。 我们现在所使用涂膜料延伸性的问题上发生的问题，几乎很少发生，那就说明我们使用的树脂熔体张力小，熔体指数大而膨胀比小。 对于缩颈，树脂的膨胀比是决定性因素，但熔体指数也有影响。膨胀比是表示树脂熔体弹性效应的尺度之一。 膨胀比变大，就表明对模头出处熔体引出方向上作用的力加大，因而缩颈变小。通常膨胀比大而且熔体指数愈小的树脂，其缩颈愈小。 因而在分子结构上，分子量分布宽、长链支链多而且分子量大的树脂是适宜涂布复合用树脂。 密度高的树脂，分子量分布窄，长链支链数目少，膨胀比倾向于变小，延伸性与缩颈密度影响是表现的是伴随密度变化而使膨胀比变化的结果。熔体指数和密度的数据推定延伸性和锁紧的水平，则记住密度一项最方便。
fluent下使用非牛顿流体
fluent下使用非牛顿流体 1、非牛顿流体：剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。 2、fluent中使用非牛顿流体 a、层流状态：直接在材料物性下设置材料的粘度，设置其为非牛顿流体。 b、湍流状态 fluent在设置湍流模型后，会自动将材料的非牛顿流体性质直接改成了牛顿流体，因此需要做一些修改。最基本的方式有两种：1、打开隐藏的湍流模型下非牛顿流体功能；2，直接利用UDF宏DEFINE_PROPERTY定义 3、打开隐藏的湍流模型下非牛顿流体功能 方法为： （1）在湍流模型中选择标准的k-e模型； （2）在Fluent窗口输入命令：define/models/viscous/turbulence-expert/turb-non-newtonian 然后回车。 （3）输入：y 然后回车。 4、利用DEFINE_PROPERTY宏 A：这是一个自定义材料的粘度程序如下，也许对你有帮助。 在记事本中编辑的，另存为“visosity1.c" #include "udf.h" DEFINE_PROPERTY(cell_viscosity, cell, thread) { real mu_lam; real trial; rate=CELL_STRAIN_RATE_MAG(cell, thread); real temp=C_T(cell, thread); mu_lam=1.e12; { if(rate>1.0e-4 && rate<1.e5) trial=12830000./rate*log(pow((rate*exp(17440.46/temp)/1.535146e8),0.2817)+pow((1.+pow((rat e*exp(17440.46/temp)/1.535146e8),0.5634)),0.5)); else if (rate>=1.e5) trial=128.3*log(pow((exp(17440.46/temp)/1.535146e8),0.2817)+pow((1.+pow((exp(17440.46/te mp)/1.535146e8),0.5634)),0.5)); else trial=1.283e11*log(pow((exp(17440.46/temp)/1.535146e12),0.2817)+pow((1.+pow((exp(17440.4 6/temp)/1.535146e12),0.5634)),0.5)); } else if(temp>=855.&&temp<905.) {
什么是非牛顿流体
什么是非牛顿流体
在上述简单剪切实验中，对于许多非牛顿流体，比值是的函数，所以和之间的关系式可写成 式中称为表观粘度。对于聚合物熔体和聚合物溶液，是的递减函数，这 样的流体被称之为剪切变稀(假塑性)流体。对于浓缩的固体悬胶液，是的递增函数，称这类流体为剪切增稠(胀塑性)流体。 下图就是两种不同的非牛顿流体：剪切变稀和剪切变稠型。他们本来都是粘稠液体，但是遇到固体表面摩擦，性质迥然。 在美剧《生活大爆炸》第二季第三集中出现过一个在音响上“跳舞的小人”，Leonard关掉音响时，小人瞬间变成一滩冒泡的液体（如下图）。 我当然不知道电视剧中的液体是什么成分，但是在“果壳网”上找到了类似的试验。 把玉米淀粉和水以3：1的比例在碗里混合均匀就可以制成和电视剧中性质相同的液体。在混合的时候如果用各种不同的速度搅动筷子，可以感受到这种胀塑性混合物的特性，试验发现这种流体有吃软不吃硬的性质，如果用力过大，
就会被拦住，而轻柔的动作却可以搅动这些流体。玉米淀粉浓浆对剪切速率有很强烈的反应，因为恰当配制的玉米淀粉浆是一种胀塑性流体，其粘度随着剪切速率的增加而增加。当流体被猛烈搅动时（剪切速率高），液体来不及填满微粒之间的缝隙，微粒之间的摩擦力急剧增加，继而粘性也急剧增加。 3.2 具有屈服应力流体 已经知道许多物质，比如泥浆、牙膏，具有屈服应力。所以在简单剪切实验中，只要小于某个有限的值，则流体不运动，当超过。时，流体才流动。下图画出了对于的曲线，通常将具有屈服应力的物质称之为Bingham物质。 3.3 弹性液体 上面给出的液体的本构方程都不具有弹性特性。粘弹性流体既具有弹性特性也具有粘性特性，并且表现出象弹性反跳等现象。也说这类流体具有记忆特性，现在的应力状态依赖于这流体过去形变的历史。因此本构方程是很复杂的，但在某些流动条件下，可将其化简。 包括小振幅震动流动，在这种流动里，应力、应变和应变率都很小，所以线性粘弹性流体的方程可能就足够了；低速流动，如果流动是很慢的，并且流动的变化也很慢。比如绕经光滑物体(例如球体)的蠕变流动，我们可以选取微分型的本构方程来描述这类流体。我们指出，将蠕变流动看作线性粘弹性流体可能是不满足要求的；复杂流动，如果流动是急剧变化的，比如包含几何形状突然变化的流动，我们通常选取隐含型本构方程，或者选取积分型本构方程。 爬杆效应 1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公开表演了一个有趣的实验：在一只有粘弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实验杆。对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面将呈凹形；而对于粘弹性流体，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。
非牛顿流体的流动解析
非牛顿流体的研究性学习 非牛顿流体 科技名词定义 中文名称：非牛顿流体 英文名称： non-Newtonian fluid 定义：黏度系数在剪切速率变化时不能保持为常数的流体。所属学科：机械工程（一级学科）；分析仪器（二级学科）；物性分析仪器-物性分析仪器一般名词（三级学科） （本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布） 牛顿1687年发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。 实验是在两平行平板间充满水时进行的(图1)，下平板固定不动，上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时附于上下平板的流体质点的速度分别为U和0，两平板间的速度呈线性分布。由此得到了著名的牛顿粘性定律 相关理论 斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性、流体静止时应变率为零的三项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程，以及现被广泛应用的纳维－斯托克斯方程。后来人们在进一步的研究中知道，牛顿粘性实验定律(以及在此基础上建立的纳－斯方程)
对于描述像水和空气这样低分子量的流体是适合的，而对描述具有高分子量的流体就不合适了，那时剪应力与剪切应变率之间已不再满足线性关系。为区别起见，人们将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。 早在人类出现之前，非牛顿流体就已存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的“半流体”都属于非牛顿流体。现在去医院作血液测试的项目之一，已不再说是“血粘度检查”，而是“血液流变学检查”(简称血流变)，这就是因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间不再是线性关系，已无法只给出一个斜率(即粘度)来说明血液的力学特性。 非牛顿流体及其奇妙特性 现在去医院作血液测试的项目之一，己不再是“血黏度检查”，而是“血液流变学捡查”（简称血流变），为什么会有这样的变化呢？这就要从非牛顿流体谈起。 英国科学家牛顿于1687年，发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。实验是在两平行平板间充满水时进行的，下平板固定不动，上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时，附着于上、下平板的流体质点的速度，分别是U和0，两平板间的速度呈线性分布，斜率是黏度系数。由此得到了著名的牛顿黏性定律。 斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量
非牛顿型流体的分类
4． 非牛顿型流体的分类 非牛顿型流体是一大类实际流体的统称。一般地说，凡流动性能不能用方程（2-2）来描述的流体，统称为非牛顿型流体。 在高分子液体畴，可以粗略地把非牛顿型流体分为： 纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。 粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。 流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。 4． 1 Bingham 塑性体 Bingham 因此具有塑性体的可塑性质。只有当外界施加的应力超过屈服应力y σ，物体才能流动。 流动方程为： ???≥-<=y y y σσησσσσγ/)(0 （2-74） 说明：有些Bingham 塑性体，在外应力超过y σ开始流动后，遵循Newton 粘度定律，流动方程为： γ ησσ p y += （2-75） 称为普通Bingham 流体，p η为塑性粘度。 有些Bingham 塑性体，开始流动后，并不遵循Newton 粘度定律，其剪切粘度随剪切速率发生变化，这类材料称为非线性Bingham 流体。
特殊地，若流动规律遵从幂律，方程为 n y K γσσ += （2-76） 则称这类材料为Herschel-Bulkley 流体。 图2-16 Bingham 流体的流动曲线 牙膏、油漆是典型Bingham 塑性体。油漆在涂刷过程中，要求涂刷时粘度要小，停止涂刷时要“站得住”，不出现流挂。因此要求其屈服应力大到足以克服重力对流动的影响。润滑油、石油钻探用泥浆，某些高分子填充体系如碳黑混炼橡胶，碳酸钙填充聚乙烯、聚丙烯等也属于或近似属于Bingham 流体。 填充高分子体系出现屈服现象的原因可归结为，当填料份数足够高时，填料在体系形成某种三维结构。如CaCO 3形成堆砌结构，而碳黑则因与橡 胶大分子链间有强烈物理交换作用，形成类交联网络结构。这些结构具有一定强度，在低外力下是稳定的，外部作用力只有大到能够破坏这些结构时，物料才能流动。 混炼橡胶的这种屈服性对下一步成型工艺及半成品的质量至关重要。如混炼丁基橡胶挤出成型轮胎胎时，碳黑用量适量，结构性高，则混炼胶屈服强度高，胎坯的挤出外观好，停放时“挺性”好，不易变形、成摺或拉薄。
fluent下使用非牛顿流体
fluent下使用非牛顿流体 2009-11-24 10:47 1、非牛顿流体：剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。 2、fluent中使用非牛顿流体 a、层流状态：直接在材料物性下设置材料的粘度，设置其为非牛顿流体。 b、湍流状态 fluent在设置湍流模型后，会自动将材料的非牛顿流体性质直接改成了牛顿流体，因此需要做一些修改。最基本的方式有两种：1、打开隐藏的湍流模型下非牛顿流体功能；2，直接利用UDF宏DEFINE_PROPERTY定义 3、打开隐藏的湍流模型下非牛顿流体功能 方法为： （1）在湍流模型中选择标准的k-e模型； （2）在Fluent窗口输入命令： define/models/viscous/turbulence-expert/turb-non-newtonian 然后回车。 （3）输入：y 然后回车。 4、利用DEFINE_PROPERTY宏 A：这是一个自定义材料的粘度程序如下，也许对你有帮助。 在记事本中编辑的，另存为“visosity1.c" #include "udf.h" DEFINE_PROPERTY(cell_viscosity, cell, thread) { real mu_lam; real trial; rate=CELL_STRAIN_RATE_MAG(cell, thread); real temp=C_T(cell, thread); mu_lam=1.e12; { if(rate>1.0e-4 && rate<1.e5) trial=12830000./rate*log(pow((rate*exp(17440.46/temp)/1.53514 6e8),0.2817)+pow((1.+pow((rate*exp(17440.46/temp)/1.535146e8),0.5634) ),0.5)); else if (rate>=1.e5)
加工过程中非牛顿型流体的类型及流动曲线
1、加工过程中非牛顿型流体的类型及流动曲线；举例分析。 假塑性流体：在一般的剪切速率下，随r′增加η下降，例如高聚物熔体、高聚物溶液及悬浮液等；膨胀性流体：固体含量较大的悬浮液如PVC糊悬浮液，少数含固体填充物的聚合物熔体，流动中产生结晶的聚合物熔体；宾汉流体：所有高聚物在其良溶剂中形成的浓溶液行为与其相近。 2、哪些高聚物在成型加工过程中其表观粘度对剪切速率敏感？哪些高聚物表观粘度对温度敏感性？哪些高聚物表观粘度粘度对压力敏感性？哪些高聚物为热敏性树脂？举例说明。 对剪切速率：聚合物熔体的一个显著特征是具有非牛顿行为，其粘度随剪切速率的增加而下降，敏感性较明显的有LDPE,HDPE,PP,PS,HIPS,ABS,不敏感PPS,PA6PC,PBT,POM;温度：分子链刚性、极性大或有较强极性取代基团的高聚物，如PMMA,PC,PS,PET，PVC等；压力：支化的LDPE比线性的HDPE自由体积大，分子堆砌较松，可压缩性大，PS,PMMA侧基大，自由体积较大，以上说明对某些聚合物单纯通过增大压力来提高熔体的流速并不适当，过大的压力还会造成能耗过大和设备的更大磨损。 3、牛顿流体的特点；牛顿流体的种类；何谓非牛顿性？ 特点：液体的应变随压力作用时间线性增加；牛顿流体中的应变具有不可逆性质，应力解除后应变以永久形变保持下来。种类：低分子化合物的液体或溶液，如水和甲苯等；极少数聚合物熔体（如PC）；在一定r’范围内大多数的聚合物熔体。四、 1、聚合物老化及影响因素？稳定化助剂？ 老化：高分子材料随着时间延长逐渐变化；外观变化：变色变暗，变硬变脆，龟裂变形，出现斑点，分层脱落；力学性能：拉伸强度、伸长率、冲击强度、硬度、耐磨性降低。因素：结构因素，物理因素：光热电高能辐射和机械应力，化学因素：氧、臭氧、水、盐碱、盐及腐蚀性气体，生物因素：微生物、昆虫、海生物等。防止方法：共聚（引入功能基团）、对活性基团消活、添加稳定剂。稳定化助剂：热温度剂、坑氧剂、光稳定剂。 2、常用热稳定剂及其作用机理 主热稳定剂：盐基性铅盐类、金属皂类、有机锡类、稀土类热稳定剂；辅助热稳定剂：亚磷酸酯、环氧化物等。作用机理：吸收氯化氢、消除不稳定氯原子（置换分子链中活泼的烯丙基氯原子，形成稳定化学剂）、与共轭双键进行双烯加成。 3、抗氧剂、光稳定剂的类型及作用机理。 抗氧剂类型有酚类抗氧剂（主）、胺类（主）、硫代酯（辅助）、亚磷酸酯（辅）；机理：①捕获自由基，②过氧化物分解剂。光稳定剂及其作用机理：①作用：A 屏障和吸收紫外线B猝灭激发态分子C分解过氧化物D捕获自由基E钝化重金属离子②分类A光屏蔽剂B紫外线吸收剂C光猝剂。 4、高速混合机、开炼机、挤出机主要混合作用机理及应用； 高速混合机用于初混合，适用固态混合和固液混合，更适于配置粉料；开炼机用于混合塑炼，适用于橡胶的塑炼和混炼，塑料的塑化和混合，填充与共混改性物的混炼，压延机连续供料，母料的制备等。 5、初混合？塑化？二者区别？ 塑料的混合：这是物料的初混合，是一种简单的混合，在低于流动温度和较为缓和的剪切速率下进行的一种混合。混合后，物料各组分是我物理和化学性质无变化。只是增加各组份颗粒的无规则排列程度没有改变颗粒的尺寸。初混合的目的
第七章 非牛顿流体的流动
第七章 非牛顿流体的流动 第一节 非牛顿流体的流变性和流变方程 一、牛顿流体与非牛顿流体 1、牛顿流体 流体流动时切应力和速度梯度之间的关系符合牛顿内摩擦定律的流体。 dy du μ τ±= 2、非牛顿流体 流体流动时切应力和速度梯度之间的关系不符合牛顿内摩擦定律的流体。 3、非牛顿流体的分类 粘弹性流体 动之中的、弹性变形寓于粘性流震凝性流体触变性流体流体、流变性与时间有关的膨胀性流体屈服假塑性流体屈服膨胀流体 假塑性流体 塑性流体流体、流变性与时间无关的非牛顿流体???? ???? ?? ???????? ??? ??????????--321 二、流变性、流变方程和流变曲线
流变性：流体流动和变形的特性。 流变方程：描述切应力与速度梯度之间关系的方程式。 流变曲线：在直角坐标中表示流体切应力和速度梯度之间变化关系的实验曲线。 1、牛顿流体（A ） 流变方程： dy du μ τ±=特点： （1）受到外力作用就流动； （2）在恒温恒压下，τ与dy du 的比值为常数即粘度为常数； （3）流变曲线是通过原点的直线，其斜率为动力粘度的倒数，即μα1 tan = 2、塑性流体（B ） 流变方程（宾汉公式）：） 适用于流变曲线直线段(0dy du p ηττ+= 特点： （1）塑性流体的流变性与牛顿流体不同，受力后，不能立即变形流动。 （2）流动初期切应力与速度梯度之间呈曲线关系，粘度随切应力增大而降低，随速度梯度的增大，切应力逐渐减弱，最后接近牛顿流体，成直线关系，流体的粘度不再随切应力的增加而变化，称为塑性粘度。 （3）塑性流体存在两个极限应力 极限静切应力---使塑性流体开始流动的最小切应力。 极限动切应力---塑性流体流变曲线直线段的延长线与横坐标轴的交点对应的切应力，是塑性流体流动时经常克服的与粘度和速度梯度无关的定值切应力。 （4）塑性流体的塑性粘度和视粘度
非牛顿流体的分类
姓名：高墨尧学号：20150614专业：农业机械化 非牛顿流体的分类 根据非牛顿流体的粘度函数是否和剪切时间有关，可以把非牛顿流体分成两大类：非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。 1、非时变性非牛顿流体 这类流体的切应力仅与剪切速率有关，即粘度函数仅与应变速率或（切应力）有关，而与时间 （1 （2与γ 的变体） （1 （2 τ处相（1 B 交。 τ时，宾汉姆流体并不产生流 （2）当对流体施加的外力τ< τ时，体系才产生流动。动，体积只产生有限的变形，只有当τ> B τ是使体系产生流动所需要的最且流动后流体具有剪切稀释性。 B 小剪切应力，即使流体产生大于0的剪切速率所需要的最小剪切应力，称之为屈服值。屈服值的大小是体系所形成的空间网络结
构的性质所决定的。 凡是具有屈服值的流体均称为塑性流体，外力克服其屈服值而产生的流动称为塑性流动。 2、时变性非牛顿流体 这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关,而且还与剪切持续时间有关。大致可分为两类：触变性和流凝性流体：随着切应力作用时间的延长，表观粘度越来越小的流体叫做触变性流体随着切应力作用时间的延长，表观粘度越来越大的流体叫做流凝性流体，这种流体在实际中非常少见。其特点： （1 （2 （3 （4 （1 （2 （3 （4 （5 （6 [1] [2] [3]刘海燕,庞明军,魏进家.非牛顿流体研究进展及发展趋势[J].应用化工,2010,05:740-746. [4]施庆珊,王计伟,欧阳友生,陈仪本.非牛顿流体粘度测定方法研究进展[J].发酵科技通讯,2011,02:42-45. [5]刘晓明,艾志久,黄俭波,陶云,熊昕.非牛顿流体与牛顿流体在旋流器内的流场分析[J].石油机械,2009,03:28-31.
非牛顿液体的粘度
非牛顿液体的粘度除了与温度有关外，还与剪切速率、时间有关，并有剪切变稀或剪切变稠的变化。纯液体和低分子物质的溶液属于牛顿液体；而大多数液体，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体系的流动都是非牛顿液体。 在线粘度测量中的流变学问题 丁晓炯广州市博勒飞粘度计质构仪技术服务有限公司 摘要：在线年度测量是目前很多石油、化工、食品、电子、造纸等行业中应用越来越广泛的技术，在线粘度的测量方法很多，主要有毛细管式、旋转式、振动式、注塞式等。而测量的对象也各不相同，流体的流变特性也各不相同，应用面也各不相同。本文从流变学的角度出发，对在线粘度测量的方法、流体的流变学类型进行分析，讨论不同在线粘度测量方法的特点和应用，对一些常见行业应用进行归纳，并对在线粘度测量中的一些常见问题进行流变学分析，并相应提出在线测量中的处理方法。 关键词：在线粘度；流变学；牛顿流体；非牛顿流体；剪切变稀；剪切变稠 目前，随着工艺控制要求的不断提高和测量技术的不断发展，在石油、化工、食品、电子、造纸等行业中在线粘度测量技术应用越来越广泛，不同品牌和不同测量原理的在线粘度计都有使用。在实际应用过程中，有使用效果良好的，也有使用效果不理想的，为何会有不同的效果？除了产品本身的问题，如何根据测量物料的流变特性来选择相应的在线粘度计，如何解释在线粘度测量数据和实验室测量数据的差异，如何获得稳定一致的测量结果，这些都可以从流变学的角度来进行分析并获得解决方案。 1 在线粘度测量技术 1.1 在线粘度测量的应用 在线粘度计的测量技术和应用已经有几十年的历史，许多工业生产过程中都需要进行年度的连续自动测量与控制。 在石油工业中，在减压蒸馏过程，在柴油、润滑油、燃料油等的在线自动调和过程，石油的脱蜡脱沥青过程等，需要进行在线粘度监测来检查原料质量，监视与控制生产、提高产品合格率，实现自动调和及自动切换产品等。 在各种聚合工程中，通过粘度的在线监测来控制反应终点。子啊化纤抽丝钱的熔体粘度在线监测科仪保证纤维的粗细适当、均匀。减少废品率及能耗。 此外，在油墨生产、印刷、油漆喷涂、洗涤剂与化妆品生产，胶囊生产以及浇涂、浸渍、滚涂等各类材料的涂布过程也都要进行在线粘度测量。 1.2 在线粘度计的类型 目前，在线粘度计的类型很多，根据测量原理不同，主要有以下几种类型： 1.2.1 毛细管式 毛细管式在线粘度计是基于泊氏定律，仪器的主体是一段细管，细管与定量泵连接，由定量泵控制流体以恒定的流量进入细管，有压力监测器测量细管两端的压力差，根据泊氏公司计算流体的粘度。这类在线粘度计目前一般使用在石化炼油行业，用来测量成品油的粘度，测量范围一般都不高，在几百cP以下，但有些特殊的在线粘度计对细管进行特殊设计后也可以用来测量高粘度的流体，但应用相对较少。 1.2.2 旋转式 在线粘度测量中，旋转法的应用比其他方法广些，在线旋转粘度计的测量原理与实验室粘度计相同，根据转子和传感器的连接方式，可分为外旋式和内旋式两种，主要是利用转子在流体中以恒定转速旋转，直接测量流体的粘性力大小，计算出粘度。这类在线粘度计是从粘度的物理定义出发，测量范围可以很宽，测量时的剪切率也不高，除了测量牛顿流体外，尤其适合于非牛顿流体的测量。 1.2.3 振动式 振动式的在线粘度测量起步相对较晚，但发展较快。振动法的传感头为一圆柱体，以恒定的振幅振动，当它剪切流体时，流体的粘度对传感头振动振幅有影响，测量维持恒定振幅所输入的功率，计算得到粘度和密度的乘积。这类在线粘度计的理论测量范围也很宽，适合于不同的流体测量，但测量时的剪切率不能精确计算，一般剪切率约在1000 s ，因此实际使用中，需要根据流体的流变学特性正确选用。 1.2.4 注塞式 这类在线粘度计是利用一个在流体中水平或垂直运动的活塞，测量活塞在固定位置内的运动时间来计算出流体的粘度。这类粘度计是断续式的测量，并不是完全意义上的在线测量；同时由于是依靠活塞的运动，因此流体自身的流动将对测量产生一定的影响。 综上所述，各类在线粘度计的测量原理不同，适用的流体和工艺条件也各不相同，需要根据测量流体的流变学特性和现场工艺条件进行选择，不能随意确定，以免造成不必要的损失。 2 流变学和流变类型 2.1 流变学和粘度 流变学研究的是在外力作用下，物体的变形和流动的学科，研究对象主要是流体。为粘度是流变学中一个很重要的基本概念，粘度是
非牛顿型流体的分类
非 牛 顿 型 流 体 的 分 类 非牛顿型流体是一大类实际流体的统称。一般地说，凡流动性能不能用 方程（2-2 ）来描述的流体，统称为非牛顿型流体。 在高分子液体范畴内，可以粗略地把非牛顿型流体分为： 纯粘性流体，但流动中粘度会发生变化，如某些涂料、油漆、食品等。 粘弹性流体，大多数高分子熔体、高分子溶液是典型的粘弹性流体，而 且是非线性粘弹性流体。一些生物材料，如细胞液，蛋清等也同属此类。 流动性质有时间依赖性的流体。如触变性流体，震凝性流体。 4. 1 Bingham 塑性体 Bin gham 塑性体的主要流动特征是存在屈|服应力 ，因此具有塑性体的 可塑性质。只有当外界施加的应力超过屈服应力 y ，物体才能流动。 流动方程为： 0 ( y" 说明：有些Bingham 塑性体，在外应力超过 y 开始流动后，遵循Newton 粘度定 律，流动方程为： y p 称为普通Bingham 流体，p 为塑性粘度。 切粘度随剪切速率发生变化，这类材料称为非线性 Bin gham 流体。 特殊地，若流动规律遵从幕律，方程为 2-76) 则称这类材料为 Herschel-Bulkley 流体。 (2-74) (2-75) 有些Bingham 塑性体，开始流动后，并不遵循 Newton 粘度定律，其剪
图2-16 Bingham 流体的流动曲线 牙膏、油漆是典型Bingham 塑性体。油漆在涂刷过程中，要求涂刷时粘度要小，停止涂刷时要“站得住”，不出现流挂。因此要求其屈服应力大到足以克服重力对流动的影响。润滑油、石油钻探用泥浆，某些高分子填充体系如碳黑混炼橡胶，碳酸钙填充聚乙烯、聚丙烯等也属于或近似属于Bingham 流体。 填充高分子体系出现屈服现象的原因可归结为，当填料份数足够高时，填料在体系内形成某种三维结构。如CaCO3 形成堆砌结构，而碳黑则因与橡胶大分子链间有强烈物理交换作用，形成类交联网络结构。这些结构具有一定强度，在低外力下是稳定的，外部作用力只有大到能够破坏这些结构时，物料才能流动。 混炼橡胶的这种屈服性对下一步成型工艺及半成品的质量至关重要。如混炼丁基橡胶挤出成型轮胎内胎时，碳黑用量适量，结构性高，则混炼胶屈服强度高，内胎坯的挤出外观好，停放时“挺性”好，不易变形、成摺或拉薄。 4．2 假塑性流体 绝大多数高分子液体属假塑性流体。流动的主要特征是流动很慢时，剪切粘度保持为常数，而随剪切速率增大，粘度反常地减少——剪切变稀。 典型高分子液体的流动曲线见图2-17 。曲线大致可分为三个区域： 当剪切速率0时，呈线性关系，液体流动性质与Newton型流体
非牛顿流体
非牛顿流体 - 分类 (1)非时变性非牛顿流体：流体的表观粘度只与剪应变率(或剪应力)有关，与剪切作用持续时间无关。 (2)时变性非牛顿流体：流体的表观粘度不仅与剪应变率(或剪应力)有关，而且与剪切作用持续时间有关。 (3)粘弹性流体：兼有粘性和弹性双重性质。[1] 非牛顿流体 - 特性 射流胀大 如果非牛顿流体被迫从一个大容器流进一根毛细管，再从毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大。射流直径与毛细管直径之比称为模片胀大率(亦称为挤出物胀大比)。对牛顿流体，它依赖于雷诺数，其值约在0.88～1.12间。而对于高分子熔体或浓溶液，其值大得多，甚至可超过10。一般来说，模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数。 模片胀大现象在口模设计中十分重要。聚合物熔体从一根矩形截面的管口流出时，管截面长边处的胀大比短边处的胀大更加显著，在管截面的长边中央胀得最大。 这种射流胀大现象也叫Barus效应或Merrington效应。 爬杆效应 1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院公开表演了一个有趣的实验。在一只有粘弹性流体(非牛顿流体的一种)的烧杯里，旋转实验杆。对于牛顿流体，由于离心力验的作用，液面将呈凹形;而对于粘弹性流体，却向杯中心运动，并沿杆向上爬，液面变成凸形。甚至在实验杆的旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。爬杆效应也称为Weissenberg效应。在设计混合器时，必须考虑爬杆效应的影响。同样在设计非牛顿流体的输运泵时，也应考虑和利用这一效应。 无管虹吸 对牛顿流体来说，在虹吸实验时，如果将虹吸管提离液面，虹吸马上就会停止。但对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液和1%POX水溶液，或聚醣在水中的轻微凝胶体系等很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器里拔起时，可以看到虽然管子已不再插在流体里，流体仍源源不断地从杯中抽起，继续流进管里。甚
气体非牛顿流体两相流动
气体/非牛顿流体两相流动 与气/水两相流动阻力特性的比较 劳力云吴应湘郑之初李东晖石在虹 (中国科学院力学研究所应用流体力学研究室) 提要本文基于常用的均相流动模型，主要针对油/气/水混输管道中经常遇到的气体/幂律液体水平管道两相流动，对其阻力特性进行了阐述，其中包括流动基本模型和方程、常用的经验估算方法等方面，将它与气/水两相流动中对应的有关问题进行了比较。 Summary In this paper, the pressure loss characteristics of the gas and power-law liquid two-phase flow that was often met within oil/gas/water concurrent transportation pipeline were presented. Based the homogeneous model--one of the frequently adapted models, the issues of fundamental model and equations of the flow and the estimation methods of pressure losses were included. These results were also compared with the correspondents related to gas/water two-phase flows. 关键词均相模型气液两相流非牛顿流体 Key words homogeneous model, gas/liquid two-phase flow, non-Newtonian fluid 1 引言 在海洋石油资源开发中，油气混输正在成为一种越来越重要的油气输运手段。为了了解油气混输管道中的能耗，进行混输管线与增压系统的合理设计，在油气混输过程中对油、气、水等介质进行有效准确的计量，以及对整个混输系统的运行状态进行监控等等，需要深入了解油气混输管道的流动阻力特性。另一方面，油气混输问题实际上属于气液两相流动中的气体/非牛顿液体的流动问题。而目前在国内外，气液两相流研究主要集中于对气体/牛顿液体（尤其是气/水两相流）的流动特性上，对于气体/非牛顿液体流动问题的研究相对较少，尚无比较成熟的结果。因此，对气体/非牛顿液体的流动阻力特性进行研究，不但具有重要的工程价值，也具有较大的学术意义。 实际测试结果表明，我国油田所生产的原油，在常温输送时，其流变特性表现为幂率流 体的特性——流动剪应力与剪应变呈现为幂率关系（对于管流即 n dr du K? ? ? ? ? - = τ ）[1，2]。其主