1-8_非牛顿流体流动
第八章 非牛顿流体_1
0,
流速为最大，即
n n p 1 n R 1 n 2 LK 1 n
umax
幂律流体层流时的流量：
R3 2 Q 3 ( )d w 0
w
R Q 3 w
3
w
0
n w 3 d R K 1 3 n K
du
n
幂律流体
n=1，牛顿流体（A） n>1，膨胀流体（D）
（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。
R
pr 2L
所以，
1 n
pR w 2L
n 1 n n p 1 n n u R r 1 n 2 LK
当 n 1 时，是牛顿流体，由上式求得的速度分布和前面得到的牛顿流体 圆管内层流时的速度分布完全相同。 在管轴心处， r
纯粘性非牛顿流体
屈服膨胀性流体
非牛顿流体
触变性流体
流变性与时间有关的流体 震凝性流体
弹性变形寓于粘性流动之中的粘弹性流体
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（剪切变形率、角变形速度）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。
第八节非牛顿流体
d 3+1n ∆P 1n qV = ( ) ( ) 3n + 1 2 2kl 32 µlu n = 1牛顿流体，∆P = d2
πn
（2）管内平均流速与最大流速之比 ） 1+ n u = umax 1 + 3n
n = 1牛顿流体， umax （3）管内流动阻力 ）
l u2 hf = =4f ρ d 2 ∆P
例：天然蛋白，合成高分子液体 粘弹性表现为： i>爬杆效应 爬杆效应 ii>挤出胀大 挤出胀大 iii>无管虹吸 无管虹吸
无管虹吸 牛顿流体 粘弹性流体 挤出涨大
二、非牛顿流体的层流流动 1、定态层流流动的本构方程 、 本构方程—描述剪应力与剪切率之间的关系方程 （1）牛顿流体的本构方程—牛顿粘性定律 ）牛顿流体的本构方程 du τ =µ dy （2）非牛顿流体的本构方程 ）
dθ du = （剪切率 单位时间发生剪切变形 剪切率—单位时间发生剪切变形 剪切率 单位时间发生剪切变形） dt dy
在剪切率范围内， （1） 假塑性 在剪切率范围内，随剪切 ） 假塑性—在剪切率范围内 率增高，粘度下降，又称为剪切稀 率增高，粘度下降， 化现象（多数情况） 化现象（多数情况） （2） 涨塑性 在某一剪切率范围内表现 ） 涨塑性—在某一剪切率范围内表现
u
1 = 2
16 范宁因子：f = ，f = 4 Re MR
（4）非牛顿体的广义雷诺准数 ）
λ
Re MR
d nu 2−n ρ = 1 + 3n n −1 K( )8 4n
例1—2，p73
三、非牛顿流体的湍流流动与减阻现象 1、幂律流体管内湍流的流动阻力 范宁摩擦因子
1− n 1 4 .0 0 .4 = 0 .75 log[ R e MR f 2 ] − 1.2 f n n
大班科学非牛顿流体教案
大班科学非牛顿流体教案引言非牛顿流体是一类在流动过程中表现出非线性粘性的流体，其流动规律与牛顿流体不同。
在学前教育中，科学教育是培养幼儿探索、实验和观察能力的重要途径之一。
本教案旨在帮助大班幼儿了解非牛顿流体的特点和基本原理，通过简单实验感受非牛顿流体的奇妙之处。
目标1.了解非牛顿流体的概念并能简单描述；2.通过实验观察非牛顿流体的特点；3.培养幼儿的观察、实验和思考能力。
教学内容概念讲解：什么是非牛顿流体？非牛顿流体是指其粘度随着剪切应力的大小而发生变化的流体。
与传统的牛顿流体不同，剪切率对于非牛顿流体的粘度具有重要影响，即非牛顿流体表现出非线性粘性。
非牛顿流体的粘度随着剪切应力的增加而减小，具有较高的流动性，在一定条件下呈现出类似流体状态；而在剪切应力较小时，则呈现出类似固体状态。
实验准备•材料：玉米淀粉、水、塑料袋、碗、勺子；•实验器材：实验台、干净的桌布或报纸；•实验前的准备工作：将适量的玉米淀粉倒入碗中，并加入适量的水搅拌成糊状。
实验步骤1.将制作好的玉米淀粉糊倒入塑料袋中，尽量挤出多余空气，并封口；2.让幼儿观察塑料袋中的玉米淀粉糊，询问他们对这个物质的初步印象；3.将塑料袋放置在实验台上，让幼儿用力捏住塑料袋中的玉米淀粉糊，观察其变化；4.鼓励幼儿发表观察结果，并帮助他们用自己的话总结非牛顿流体的特点；5.重新放松手指的力量，观察塑料袋中的玉米淀粉糊是否恢复成流动状态；6.鼓励幼儿思考，为什么玉米淀粉糊在受力时变得硬，放松力量后又变得流动。
教学要点1.非牛顿流体是指其粘度随着剪切应力的大小而发生变化的流体；2.玉米淀粉糊是一种典型的非牛顿流体；3.非牛顿流体在受力时变得硬，放松力量后又变得流动。
教学延伸拓展思考1.除了玉米淀粉糊外，还有哪些物质是非牛顿流体？请找出并描述其中的特点。
2.除了剪切应力，还有没有其他因素会影响非牛顿流体的流动性？请举例说明。
实践探究1.以玉米淀粉糊为基础，尝试制作不同浓度的非牛顿流体，并观察其流动性的变化。
第九章_非牛顿流体的运动
三、流变性与时间有关的非牛顿流体
1、触变性流体和震凝性流体
流变性与时间有关的纯粘性非牛顿流体包括触变性流体 和震凝性流体。
触变性流体：恒定剪切速率下，表观粘度(或剪切应力) 随剪切时间而变小，经过一段时间t0后，形成平衡结构， 表观粘度趋近于常数。如图9－2所示。
震凝性流体：与触变性相反，恒定的剪切速率下表观粘 度随时间而增大，一般也在一定时间后达到结构上的动 平衡状态。如图9－3所示。
一、非牛顿流体的分类 1、材料的分类
因为非牛顿流体力学研究的流体，有的既具有固体
的性质(弹性)，又有流体的性质(粘性)， 所以我们先
从流变学观点对材料进行分类。
第九章 非牛顿流体的流动 第九章 非牛顿流体的流动
(1)超硬刚体 绝对刚体，也称欧几里得刚体。粘度无限大，在任何外 力下不发生形变。 (2)弹性体 在外力作用下发生形变，外力解除后，形变完全恢复。 (3)超流动体 帕斯卡液体，粘度无限小，任何微小的力都能引起大的 流动。例如：液态氦 (4)流体 任何微小的外力都能引起永久变形(不可逆流动)。
塑性流体也称为宾汉流体，其流变方程称为宾汉方程。 根据塑性流体的流变曲线，可以写出如下关系式:
0 p
式中： 0
du dy
—为极限动切应力，Pa；
p —称为结构粘度(或称塑性粘度)，Pa.s。
第九章 非牛顿流体的流动 第九章 非牛顿流体的流动
1、塑性流体：宾汉(Bingham)方程
若管路为水平放置，即
=0°，sin 0 ，则
p1 p2 d
4L
p1 p2 R
2L
式中：R ——管子半径。
第九章 非牛顿流体的流动 第九章 非牛顿流体的流动
非牛顿流体的原理
非牛顿流体的原理
非牛顿流体是指在流动过程中其流动性质会随着应力或剪切速率的变化而变化的流体。
其原理可以通过以下几个方面来解释：
1. 流变性：非牛顿流体的流动特性与牛顿流体不同，在受到剪切力时，其黏度呈现非线性变化。
剪切力越大，黏度越大，流动越困难；剪切力越小，黏度越小，流动越容易。
这是因为非牛顿流体中含有高分子聚合物或颗粒等物质，这些物质之间的相互作用会影响流体的流动性。
2. 颗粒悬浮：非牛顿流体中可能存在颗粒悬浮，这些颗粒会增加流体的黏度并导致流动特性的改变。
当流体受到剪切力时，颗粒间的相互作用会改变颗粒的排列方式，从而影响流体的流动性质。
3. 高分子聚合物：非牛顿流体中含有高分子聚合物，这些聚合物在静止时将形成网络结构并增加流体的黏度。
当流体受到剪切力时，聚合物链会发生伸展，从而减小流体的黏度。
这种特性导致了非牛顿流体的剪切变稀或变稠效应。
4. 温度和压力：非牛顿流体的流动特性还受到温度和压力的影响。
在不同温度和压力下，非牛顿流体的黏度会发生变化，进而影响流体的流动性。
总之，非牛顿流体的流动性质由多种因素决定，包括颗粒悬浮、高分子聚合物、温度和压力等。
这些因素会影响流体的黏度，并导致流体呈现剪切变稀或变稠的特性。
流量测量中常用的流体参数
流量测量中常用的流体参数对工业管道流体流动规律的研究、流量测量计算以及仪表选型时，都要遇到一系列反映流体属性和流动状态的物理参数．这些参数，常用的有流体的密度、粘度、绝热指数(等熵指数)、体积压缩系数以及雷诺数、流速比(马赫数)等；这些物理参数都与温度．压力密切相关。
流量测量的一次元件的设计以及二次仪表的校验，都是在一定的压力和温度条件下进行的。
若实际工况超过设计规定的范围，即需作相应的修正。
一、流体的密度流体的密度( )是流体的重要参数之一，它表示单位体积内流体的质量。
在一般工业生产中，流体通常可视为均匀流体，流体的密度可由其质量和体积之商求出：＝（1－2）式中 m——流体的质量，kg；V——质量为m的流体所占的体积，m3密度的单位换算见表1—3。
各种流体的密度都随温度、压力改变而变化．在低压及常温下，压力变化对液体密度的影响很小，所以工程计算上往往可将液体视为不可压缩流体，即可不考虑压力变化的影响．但这只是一种近似计算。
而气体，温度、压力变化对其密度的影响较大，所以表示气体密度时，必须严格说明其所处的压力、温度状况．工业测量中，有时还用“比容”这一参数。
比容数是密度数的倒数，单位为m3／kg。
二、流体的粘度流体的粘度是表示流体内摩擦力的一个参数。
各种流体的粘度不同，表示流动时的阻力各异。
粘度也是温度、压力的函数．一般说来，温度上升，液体的粘度就下降，气体的粘度则上升．在工程计算上液体的粘度，只需考虑温度对它的影响，仅在压力很高的情况下才需考虑压力的影响。
水蒸气及气体的粘度与压力、温度的关系十分密切．表征流体的粘度，通常采用动力粘度( )和运动粘度(v)，有时也采用恩氏粘度(°E)．流体动力粘度的意义是，当该流体的速度梯度等于l时，接触液层间单位面积上的内摩擦力．流体的动力粘度也可理解为两个相距1m、面积各为1m2的流体层以相对速度1m／s移动时相互间的作用力，即＝（1－3）式中――单位面积上的内摩擦力，Pa；v——流体流动速度，m／s；h——两流体层之间的距离，m；——速度梯度，I / S；动力粘度的单位Pa·s是国际单位制(SI)的导出单位，是我国法定单位．它与过去习惯使用的其他单位的换算关系见表l—4．表中的单位达因·秒／厘米2(dyn·s／cm2)是厘米—克—秒单位制(c．G．s单位制)的导出单位，习惯上称泊(P)。
科学非牛顿流体教案
科学非牛顿流体教案引言科学非牛顿流体是指在施加外力下，其粘度随应力变化的流体。
相比牛顿流体，科学非牛顿流体在流动性质上更为复杂，因此在科学教育中引入非牛顿流体的概念，有助于学生更好地理解流体力学。
本教案旨在介绍科学非牛顿流体的基本概念、分类和流动特性，并通过实验和案例的方式深入探讨。
一、非牛顿流体的基本概念非牛顿流体是指在不同应力下具有不同粘度的流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体的黏度并非恒定，而是与外力或剪切速率有关。
根据流动性质的不同，非牛顿流体可被分为多种类型，下面将对其中的几种类型做简要介绍。
1.塑性流体：塑性流体在受力之前表现为固体状态，需要达到一定应力阈值才能开始流动。
常见的塑性流体有泥浆、糊状物等。
2.粘弹性流体：粘弹性流体是指具有弹性和黏性两种特性的流体。
当外力作用于粘弹性流体时，它会像固体一样表现出弹性变形，但在没有外力时又能恢复成流体状态。
常见的粘弹性流体有黏土、凝胶等。
3.剪稀流体：剪稀流体在受到剪切力时，粘度随着剪切速率的增加而下降。
这种流体在剪切力作用下变得更加流动。
常见的剪稀流体有淀粉溶液、茶叶汤等。
二、非牛顿流体的流动特性非牛顿流体的流动特性是指在受力条件下流体内部的变化。
以下是几种常见非牛顿流体的流动特性描述：1.塑性流体的流动特性：在应力达到一定阈值之前，塑性流体不会发生流动，因此其流动性较差。
一旦应力超过阈值，塑性流体会快速变为非固态，并产生流动。
这种特性常用于建筑材料的设计和施工中。
2.粘弹性流体的流动特性：粘弹性流体的流动特性介于固体和液体之间，既有一定的弹性，又有粘滞的特性。
当外力作用较小时，粘弹性流体呈现出固体的弹性；而当外力作用较大时，粘弹性流体则表现出液体的流动性。
3.剪稀流体的流动特性：剪稀流体在剪切力作用下，粘度随着剪切速率的增加而减小。
这种特性使得剪稀流体在高速切割、注射过程中更易流动。
这种特性广泛应用于工业领域中。
三、实验探索非牛顿流体的特性为了帮助学生更好地理解非牛顿流体的特性，可以进行一些简单的实验来探索流体的行为。
非牛顿流体原理
非牛顿流体原理
非牛顿流体原理是指那些在外力作用下，其流动行为不遵循牛顿流体力学定律的物质。
与牛顿流体不同的是，非牛顿流体的粘度是随着应力变化而变化的，即其内部的粘滞力随剪切速率或剪切应力的不同而不同。
非牛顿流体可以分为剪切稀化流体和剪切增稠流体两种类型。
剪切稀化流体的粘度随着剪切应力的增加而减小。
这类流体的例子包括血液、果冻和塑料溶液等。
在剪切作用下，流体内部的微观结构会发生改变，使其粘度降低，流动性增强。
剪切增稠流体的粘度则随着剪切应力的增加而增加。
这类流体的例子包括淀粉水溶液、糊状物等。
在剪切作用下，流体内部的微观结构会形成或加强，使其粘度增大，流动性减弱。
非牛顿流体的存在和性质可以通过多种因素来解释，例如流体内部的多相结构、聚合物链的排列和交联等。
非牛顿流体的研究对于理解各种复杂的流体行为以及应用于各个工程领域具有重要意义。
总之，非牛顿流体的粘度随着剪切应力变化而变化，不符合牛顿流体的流动规律。
通过对非牛顿流体的研究，我们能够更好地理解和应用这些特殊的流体性质。
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qV
n
(
d
)3
1 n
(
P
3n 1 2 2kl
1
)n
n 1牛流体，P 32lu
d2
（2）幂律流体管内平均流速与最大流速之比 u 1 n
umax 1 3n
n 1牛顿流体，u 1 umax 2
（3）幂律流体管内流动阻力
P
hf
4 f l u2 ；范宁因子：f ，f 16
n
n — 流动行为指数，无因次 n
n
1假塑性流体
1牛顿流体
1涨塑性流体
幂律 流体
y
K (du) dy
y —屈服压力
K —宾汉粘度 Pa s
塑性流体
宾汉流体
2、幂律流体管内层流流动时的阻力损失 管内的剪应力分布与流体性质无关
（1） 幂律流体 qV ~ P关系式
（1） 触变性—当一定的剪应力所作用的时间足够长后， 剪切率增大，粘度减小直至达到定态的平衡 值的行为。
例：圆珠笔油，涂料等人为制成具有触变性， 涂写方便，静止不流
（2）震凝性—粘度随剪切力作用时间延长而增大的行为。
（3）粘弹性—液体不但有粘性，正常还表现为明显的弹性
例：天然蛋白，合成高分子液体
粘弹性表现为： i> 爬杆效应
（2） 涨塑性 — 在某一剪切率范围内表现出剪切增稠现象， 度随剪切率增大而升高（少数浓悬浮体）
（3）塑性 — 只有当施加的剪应力大于某一临界值之后才开 始流动的力学特征，该临界值称为屈服压力 （含固体量较多的悬浮体）
2、依时性 指非牛顿流体受力产生的剪切率 du / dy 与剪切力的
作用时间 有关
ReMR 2100 ~ 2400
2、湍流减阻 （1） 减阻现象
加入微量高分子物后的稀溶液在湍流流动时 阻力明显降低的现象。
（2）减阻效果
DR (1 P ) 1 f
PS
fs
f：范宁摩擦因子
（3）减阻影响因素
管径，高分子物的种类，浓度，Re值
d2
4
ReMR
ReMR：非牛顿流体的广义雷诺准数
（4）幂律流体 3n )8n1
4n
三、非牛顿流体的湍流流动与减阻现象
1、幂律流体管内湍流的流动阻力
范宁摩擦因子
1 f
4.0 n0.75
log[ ReMR
f
1 n
2]
0.4 n1.2
在n 0.36 ~ 1.0时，ReMR 2900 ~ 3600 在n 0.2 ~ 1.0时，层流向湍流过渡的临界雷诺数
牛顿流体
ii> 挤出胀大
iii> 无管虹吸
粘弹性流体 挤出涨大
无管虹吸
二、非牛顿流体的层流流动 1、定态层流流动的本构方程 本构方程—描述剪应力与剪切率之间的关系方程 （1）牛顿流体的本构方程—牛顿粘性定律
du
dy （2）非牛顿流体的本构方程
K — 稠度系数. Pa S n
K ( du )n dy
非牛顿流体的流动
非牛顿流体－在层流流动时不服从牛顿粘性定律的流体
一、非牛顿流体的基本特性与类型
1、定态流动时的粘度 非牛顿流体的粘度
定义：
du / dy
不是常数，不能从手册中查到，与du / dy有关 d du （剪切率 ? 单位时间发生剪切变形）
dt dy
（1） 假塑性 — 在剪切率范围内，随剪切率增高，粘度下 降，又称为剪切稀化现象（多数非牛顿流体）