高分子减阻液的非牛顿层流边层
非牛顿流体
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目录编辑本段牛顿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编辑本段相关理论斯托克斯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[1]。
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。
高聚物型减阻剂减阻性能的研究_富雯婷
收稿日期:2008-10-22;修改稿收到日期:2008-12-22。
作者简介:富雯婷(1982-),女,在读硕士研究生,主要从事油品输送的研究工作。
高聚物型减阻剂减阻性能的研究富雯婷,管 民,李惠萍,胡子昭(新疆大学化学化工学院,乌鲁木齐830008)摘要 对高聚物减阻剂的减阻性能进行研究,考察了高聚物减阻剂的相对分子质量、起始点的管壁切应力S *w 、减阻剂添加量、雷诺数及高聚物减阻剂的降解对减阻效果的影响。
根据高聚物减阻剂的摩阻系数与雷诺数关系曲线,拟合得到高聚物减阻剂的斜率增量D 。
结果表明,减阻剂的减阻率随相对分子质量的增大而提高;减阻剂的均方回转半径Rg 越大,减阻起始点要求的管壁切应力S *w 值越小,减阻效果越好;减阻剂的减阻率随添加量的增加而增大;减阻剂的斜率增量D 越大,减阻效果越好;高聚物减阻剂在一定剪切力下都会发生一定程度的降解,使减阻率下降。
关键词:高聚物 减阻剂 减阻率 雷诺数1 前 言对于石油行业,管道运输是油品运输的主要传输途径,管道运输具有投资省、能耗低、建设速度快等优点,但也存在输送量适应范围小的缺点,会导致泵站数量增加、能耗增加、成本增加等问题。
目前节能降耗已成为国家发展的基本出发点,在开发能源的同时节能降耗被放在重要位置。
如何增大石油及各种物品在长距离运输过程中的运输量、减少其在过程中的运输时间和运输成本、提高效率是需要完成和改善的问题。
解决上述问题最好的方法是使用减阻剂,通过在油品管道中加入少量减阻剂,使油品的流动性质得到改善。
对于管道运输而言,油品减阻剂是一种广泛应用于原油和成品油管道输送的化学添加剂,它可方便地提高管道的输量,降低管线的压力,节约能源,提高管线运行的安全系数。
因此,使用减阻剂可使管道由/刚性0变为/弹性0,既可使管道迅速实现增输,又无须承担很大的风险,如果使用得当,其总费用完全可能低于其它增输手段。
高聚物是效果良好的油品减阻剂。
Tom s [1]首次发现高分子聚合物在紊流时的减阻现象,引起了流体力学界和高分子学界的广泛注意。
非牛顿流体边界层减阻流动研究_陈仕伟
关键词 :Maxwell-Oldroyd 模型 ;边界层 ;DORODNITSYN 积分 ;减阻流动
中图分类号 :0373
文献标识码 :A
Study on Boundary Layer Drag Reduction of Non-newtonian Fluids
CHEN Shi-wei
(Dept .of Dynamics , Sichuan Industrial College, Chengdu 611744 , China)
+H +H
21) )-2θ40 P
-2θ41 Q
-[ 1 +1 6+(2θ(03-θ05-θ1)θ/1)R/eRe]
·
θ0+
(17)
[ 2 +1 2+(2θ(03-θ05-θ1)θ/1)R/eRe]
·
θ1 =
6 θ0
·
θ20 θ20
+H2 +H1
(18)
边界条件 :θ0 =1/( uη)η=0 =0 ,
γ
(1)
22
四川大学学报(工程科学版)
第 32 卷
式中 , η0 为零剪切粘度 ;λ1 为松驰时间 ;λ2 为推 迟时 间 。随 着 γ增 加 , η(γ)单调 下 降 至 最 低 值 η0 λ2/ λ1 。4 常数 Oldroyd 模型表现出的这种剪切稀 化性质 , 有利于该模型描述的流体产生减阻流动 。
非牛顿流体边界层减阻流动研究
陈仕伟
(四川工业学院 动力系 , 成都 611744)
摘 要 :研究 了四常数 Maxwell -Oldroyd 模型 非牛顿流体 边界层流 动 , 给 出了边界层 内速度分布 数值解 , 以及边 界
非牛顿流体石油管流动研究进展及建议
非牛顿流体石油管流动研究进展及建议李孝军;刘永刚;林凯;刘文红【摘要】从研究非牛顿流体流动数学模型及其求解方法、原油圆管分层流与非定常流、环空管流流动规律、非牛顿流体流动流态判别及非牛顿流体流动实验等5个方面,综述了21世纪始10余年国内外非牛顿流体石油管流动现状。
非牛顿流体流动本构方程的建立和流变参数的确定,是研究非牛顿流体流动和流变特性的基础,对发展非牛顿流体力学理论和解决生产技术问题都至关重要。
总结前人研究成果的基础上,根据非牛顿流体石油管流动的发展状况,提出将高分子材料学、电磁场理论、弹塑性力学理论、混沌学、现代计算机有限元数值模拟等学科与高等流体力学相结合的方式,寻求非牛顿流体管流流动中分层流混输技术、非定常流动稳定性与流动规律、环空紊流流动规律和流态判据的相关性与合理性等亟待解决问题的思路。
【期刊名称】《石油管材与仪器》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】7页(P8-14)【关键词】非牛顿流体;数学模型;管流;环空流;流态;仿真试验【作者】李孝军;刘永刚;林凯;刘文红【作者单位】中国石油集团石油管工程技术研究院石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】TE8石油工业中的钻井液、水泥浆、含蜡原油和聚合物水溶剂等都是非牛顿流体，其各种流动现象的理论和实验研究一直受到人们的重视，但目前还未找到适用于所有非牛顿流体的本构方程[1-4]。
现在的研究方法是把非牛顿流体分成若干类，如非时变性流体、粘弹性流体、触变性流体和震凝性流体等，通过理论和实验研究找到各自的本构方程，分别研究它们的流动现象，得出各种流动问题的解[5-8]。
目前，非牛顿流体石油管流动研究处于世界领先地位的挪威，也只研究了在某些特殊情况下一些简单的流动现象，如管内流动的解析解[9-12]。
然而，这些初步的进展为这些流体的其它流动现象研究提供了方法和理论基础[13-16]。
高分子液体的奇异流变性能
这些现象都与高分子液体
的弹性行为有关，这种液 体的弹性性质使之容易产 生拉伸流动，而且拉伸液 体的自由表面相当稳定。 实验表明，高分子浓溶液 和熔体都具有这种性质， 因而能够产生稳定的连续 拉伸形变，具有良好的纺 丝和成膜能力。
各种次级流动
研究表明，高分子液体在均匀梯度下通过非圆形管道流动时， 往往在主要的纯轴向流动上，附加出现局部区域性的环流， 称为次级流动，或二级流动，在通过截面有变化的流道时， 有时也发生类似的现象，甚至更复杂的还有三次、四次流动 等。一般认为，牛顿型液体旋转时的次级流动是离心力造成 的，而高分子液体的次级流动方向往往与牛顿型液体相反， 是由粘弹力和惯性力综合形成的。这种反常的次级流动在流 道与模具设计中十分重要。
力的性质（剪切力或拉伸力）、大小及作用速
率等。下面介绍九种著名的高分子特征流变现 象。
高粘度与“剪切变稀”行为 Weissenberg效应 挤出胀大现象 不稳定流动和熔体破裂现象 无管虹吸，拉伸流动和可纺性 各种次级流动 孔压误差和弯流压差 湍流减阻效应 触变性和震凝性
高粘度与“剪切变稀”行为
孔压误差和弯流压差
测量流体内压力时，若压力传感器端面安装得低于流道壁面，形成凹 槽，则测得的高分子液体的内压力将低于压力传感器端面与流道壁面 相平时测得的压力，如图中有Ph< P,这种压力测量误差称孔压误差。 牛顿型流体不存在孔压误差，无论压力传感器端面安装得与流道壁面 是否相平，测得压力值相等。高分子液体有孔压误差现象，其产生原 因被认为在凹槽附近，流线发生弯曲，但法向应力差效应有使流线伸 直的作用，于是产生背向凹槽的力，使凹置的压力传感器测得的液体
与剪切变稀效应相对的是剪切变稠相应，
高分子即液体在流动过程变现出粘度随剪切速 率增大而升高的反常现象，如高浓度的聚氯乙 烯塑料溶胶。
非牛顿流体的流动.
高等流体力学
8 非牛顿流体的流动
8 非牛顿流体的流动
水、空气和润滑油等是化学结构比较简单的低分子流 体，其运动遵循牛顿内摩擦定律，即剪切应力τ与流速梯 du 度 成线性关系，如下式所示： dy du ＝ (1) dy 这一类流体称为牛顿流体。上式中的 μ 是在任意给 定温度、压强条件下牛顿流体流动的特征性比例常数，此 比例常数即所谓流体粘度(动力粘性系数)。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
(3) 粘弹性流体的一些奇特物理力学现象 i 韦森堡(Weissenberg)效应 当将一支快速旋转的圆棒插入牛顿流体时， 在圆棒周围会形成一个凹形液面。若将此旋转着 的圆棒插入粘弹性流体，则流体有沿着旋转圆棒 向上爬的趋向, 韦森堡于1944年在英国帝国理工学 院公开演示了这一有趣的实验 ， 因此，这一现象 被称为韦森堡效应，俗称爬杆效应。
du dy ⑤ ① ③ ④ ②
θ τ 0 θ1
图1 几种流体的流变曲线 ①牛顿流体 ② 塑性流体 ③假塑性流体 ④屈服-假塑性流体 ⑤膨胀性流体
τ
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
(2) 假塑性流体 这种流体在很小的剪切应力作用下即开始运动，随着 剪切速率的增加，其表观粘度下降，即所谓剪切变稀特性。 其流变曲线如图1中的曲线③所示。 有些物料很象塑性流体的特性，表现出屈服应力，但 流动起始后，剪切应力与其流速梯度之间的关系却是非线 性的，其流变曲线凸向剪切应力轴，如图 1 中的曲线 ④ 所 示。表现出这一特性的流体称为屈服-假塑性流体。 另一种不太常见的情况是曲线凹向剪切应力轴，称为 屈服- 膨胀性流体。许多泥土-水以及类似的悬浮液，尤其 是中等浓度时，属于屈服-假塑性流体。
7高等渗流力学-第七章-非牛顿渗流-曹仁义
p r
n
p t
第二节 纯黏性液体的渗流
n K p eff r
1
1
1
p r
n
eff
K
n
v
eff
K
n
Q
2 hr
1
r2 re2
代入上式，得拟塑性流体渗流方程
2 p r 2
1 n
K
eff
1
p n r
r
t t
第二节 纯黏性液体的渗流
由
t
CL a
p t
r
CL a
p r
t
C f a
p t
Ct CL C f
2 p r 2
n r
流体的简单剪切流中，应力张量可以用3个独立函数表示 切应力 第一法向应力差 第二法向应力差
其中法向应力函数描述了流体的弹性。
第一节 流变学基本概念
二、纯粘性流体流变特性
与剪切速率有关：
塑性流体 n
拟塑性流体 k n n 1
0
膨胀性流体 k n n 1
dr K
pe dp pw
eff
K
q
n
2 h
Re dr r Rw n
qn
2 K
n
(1 n)( pe pw )
eff
K
R 1n e
r 1n w
天大高分子物理课件第六章 高分子液体的流变性
图6-2 结晶聚合物的温度-形变曲线非晶与结晶聚合物的温度-形变曲线
图6-1 非晶态线型聚合物
的温度-形变曲线
对非晶的无定型聚合物而言，温度
高于流动温度T f 即进入粘流态。
分子量低时，温度高于T m 即进入粘流态；
分子量高时，温度高于T f 才进入粘流态
热塑性塑料的成型过程加热塑化流动成型冷却固化
高分子整链的运动如同一条蛇的蠕动，它是通过链段的相继跃迁来实现的。
n与1相差越大，偏离牛顿流体的程度越强
剪切应力与剪切速率的关系
理想宾汉流体
假塑性流体
牛顿流体
膨胀性流体
理想宾汉流体牛顿流体
在流动时，每个长链分子总是力图时之际全部进入同一流
表观粘度
n
表观粘度和剪切速率的关系
第一牛顿区第二牛顿区
幂律区（假塑区）
高分子流动时伴有高弹形变的生产实际影响塑料挤出件尺寸回缩，截面尺寸的增加
纤维的挤出胀大
使用最为广泛，它可以在较宽的范围调节剪切速率和温度，最接近加工条件。
剪切速率范围为101～106s-1，切应力为。
对于同种聚合物而言，熔融指数越大，聚合物熔体由于不同聚合物的测定时的标准条件不同，因此不
同轴圆筒粘度计因内筒间隙较。