各向异性非牛顿流体新概念本构理论及其流体动力学研究进展
非牛顿流体的原理十五字
非牛顿流体的原理十五字非牛顿流体是一类具有特殊性质的流体，其黏度随着剪切速率的不同而变化。
相对于牛顿流体而言，非牛顿流体在流动过程中呈现出更为复杂的行为和性质。
非牛顿流体的性质主要取决于其内部结构和物理化学特性，在工程和科学领域中具有广泛的应用。
非牛顿流体的流动原理可以通过两个主要的理论进行描述：流变学和微观结构理论。
流变学关注的是流体的宏观行为，它通过测量应力和变形速率之间的关系来描述非牛顿流体的流动性质。
微观结构理论则关注流体的微观结构和物理化学特性，试图解释流体的非牛顿性质。
流体的黏度是描述其流动性质的重要参数。
在牛顿流体中，黏度是恒定不变的。
而在非牛顿流体中，黏度随剪切速率的变化而变化，即在不同的剪切速率下，非牛顿流体的黏度不同。
这种剪切速率依赖性的黏度称为剪切变稠效应。
非牛顿流体的黏度随剪切速率的变化可以分为两种类型：剪切变稠和剪切变稀。
剪切变稠是指非牛顿流体在受到剪切力时，其黏度随剪切速率的增加而增加。
这种现象可以通过粘弹性模型进行解释。
粘弹性模型认为，非牛顿流体的微观结构在受到剪切力时会发生变化，从而导致其黏度的变化。
一种常见的非牛顿流体，如胶体溶液，就具有剪切变稠的特性。
剪切变稠的非牛顿流体在工程领域中广泛应用，如涂料、印刷油墨等。
剪切变稀是指非牛顿流体在受到剪切力时，其黏度随剪切速率的增加而减小。
这种现象可以通过剪切稀释模型进行解释。
剪切稀释模型认为，在剪切力作用下，非牛顿流体的内部结构发生断裂，导致其黏度的降低。
一种常见的非牛顿流体，如血液，就具有剪切变稀的特性。
剪切变稀的非牛顿流体在生物医药领域中有重要应用，如药物输送和人工血液等。
非牛顿流体的流动还可以通过流体的浊流、凝胶和聚合物解缠等机制进行描述。
浊流是指非牛顿流体中具有一定浓度固体颗粒的情况下产生的流动行为。
这些颗粒之间发生相互作用，导致流体的流动性质发生变化，表现出非牛顿性。
凝胶是指非牛顿流体中形成了类似于凝胶状态的结构，使得流体的黏度增加，呈现出固体的性质。
牛顿非牛顿流体定义
牛顿非牛顿流体定义
牛顿流体是指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。
凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。
服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体。
不服从牛顿粘性定律的, 称为非牛顿型流体。
非牛顿型流体又分为假塑性流体和胀塑性流体。
牛顿内摩擦定律表达式：τ=μγ
式中：
τ--所加的切应力；
γ--剪切速率（流速梯度）；
μ--度量液体粘滞性大小的物理量，简称为黏度，物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。
从流体力学的角度来说，凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。
所谓服从内摩擦定律是指在温度不变的条件下，随着流速梯度的变化，μ值始终保持一常数。
水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体；高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。
理解流体运动中的非牛顿流体行为
理解流体运动中的非牛顿流体行为在物理学中，流体力学是研究流体运动以及所受力学作用的学科。
流体主要包括牛顿流体和非牛顿流体两种类型。
牛顿流体的黏度（粘度）在逐渐变化的剪切应力下保持不变，而非牛顿流体的黏度则会随着剪切应力的改变而变化。
非牛顿流体在许多自然和工程领域都有广泛的应用，例如在润滑油、涂料、多相流体、食品加工等方面。
了解非牛顿流体的行为是实现更高效的工艺和产品的关键。
1. 非牛顿流体的基本特性非牛顿流体显示出不同于牛顿流体的流变行为。
这些行为可分为剪切变稀和剪切变稠两种类型。
- 剪切变稀：在剪切应力作用下，非牛顿流体的黏度会减小。
例如，当你用勺子搅动黏稠的液体时，黏稠度会降低。
- 剪切变稠：在剪切应力作用下，非牛顿流体的黏度会增加。
例如，当你使用手指快速拍打蛋白时，其黏稠度会增加。
2. 非牛顿流体的分类非牛顿流体可以根据黏度如何随剪切应力变化来进行分类。
- 塑性流体：这类流体仅在承受一定剪切应力之后才会发生流动。
比如，墙面涂料一般是塑性流体，在刷涂时需要施加力来使其流动。
- 剪切稀释流体：这类流体在受到剪切应力时黏度会降低，因此变得更为流动。
一些封装在管道中的胶体溶液就属于这类流体。
- 剪切增稠流体：这类流体在受到剪切应力时黏度会增加，因此变得更加黏稠。
果冻或者酸奶等食品就是表现出剪切增稠流体行为的例子。
3. 导致非牛顿流体行为的因素非牛顿流体的行为取决于流体中粒子间的相互作用，主要受到下列因素的影响：- 颗粒浓度：当流体中颗粒浓度增加时，颗粒之间的相互作用会增强，导致流体从剪切增稠转变为剪切稀释。
- 分子结构：分子结构的变化会影响流体的流变行为。
例如，高分子的交叉链接可以使流体变得更加黏稠。
- 温度：温度变化也会对非牛顿流体的行为产生影响。
温度升高可能导致流体黏度减小，从而出现剪切稀释的效应。
4. 应用和实际意义非牛顿流体的行为在工业生产和科学研究中具有重要的应用价值。
- 医药领域：非牛顿流体在药物输送、病理学研究和医学诊断等方面有广泛应用，例如血浆和黏液均显示出非牛顿流体行为。
什么是非牛顿流体终审稿)
什么是非牛顿流体公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]什么是非牛顿流体1 非牛顿流体的定义自然界最常见的流体以空气和水为代表，通常被认为是牛顿流体，熊老师在上课时讲过，它们的主要特征是切应力和切应变率之间的关系服从牛顿内摩擦定律或胡克定律，在流体力学的发展史上，经典流体力学的研究对象主要局限在牛顿流体的范畴，迄今为止已经形成了比较完整的理论体系。
但是，还有不少材料既不是虎克固体，也不是牛顿流体。
这些材料同时具有固体和流体的性质，哪种性质为主决定于进行观察时间的长短以及材料变形的大小。
有许多真实的材料样子像流体，即它们在受到应力时连续地改变它们的形状，但它们不能用牛顿关于常粘度的定律来描述，这类流体叫做非牛顿流体。
现在去医院作血液测试的项目之一，己不再是“血粘度检查”，而是“血液流变学捡查”（简称血流变），产生这样的变化就是因为血液不是牛顿流体，恒定不变的“粘度”不是它的一种属性。
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，斜率是粘度系数。
由此得到了着名的牛顿粘性定律。
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N·S方程。
后来人们在进一步的研究中知道，牛顿粘性实验定律，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。
2 常见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。
《非牛顿流体的流动》课件
实验演示
演示剪切稀化流体的流变学特性，揭示其奇特行为。
应用
工业应用
非牛顿流体在润滑剂、涂料、胶粘剂等工业领域有 广泛应用。
生活中的应用
某些食品、护肤品和医疗药剂中也使用了非牛顿流 体。
实验演示
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
塑性流体流动实验
演示塑性流体的流动行为，了解其特性和流变学参数。
2
粘弹性流体流动实验
通过实验展示粘弹性流体的弹性回复和粘性瞬时流动。
《非牛顿流体的流动》 PPT课件
非牛顿流体是指其粘度随着应力变化而发生非线性变化的流体。本课件将介 绍非牛顿流体的特点、分类、流动行为、应用以及实验演示。
什么是非牛顿流体
非牛顿流体是指其粘度与应力不是线性关系的流体。它们可以根据其流变学 性质进一步分类为塑性流体、粘弹性流体和剪切稀化流体。
非牛顿流体的特点
变形率依赖性
非牛顿流体的粘度取决于应变速率。
时间依赖性
非牛顿流体的粘度可以随时间变化。
剪切薄弱性
非牛顿流体在高剪切速率下可能表现出稀化现象。
塑性流体
具有固体特性
塑性流体具有一定的流动阈值，需要足够的剪切力 才能使其流动。
实验演示
展示塑性流体的流动实验，探索其特性。
粘弹性流体
粘弹性流体具有介于固体与液体之间的特性。其流动行为可能包括弹性回复和粘性瞬时流动。
粘弹性流体的流动行为
1
剪切应力与剪切速率关系
粘弹性流体的流动特性与剪切速率相关，可能表现出剪切应力随剪切速率增加而 增加的非线性关系。
2
流变学模型
通过建立流变学模型来描述粘弹性流体的流动行为。
3
实验演示
演示粘弹性流体的流动行为，以帮助理解其复杂性。
流体的物理属性-牛顿流体和非牛顿流体
名称
0C
μ×103(Pa·s)
H2O
100
0.0127
Hg
380
0.0654
CO2
20
O2
20
N2
20
空气
20
0.0146 0.0203 0.0175 0.0181
液体 名称 H2O
温度 0C 20
粘度 μ×103(Pa·s)
1.005
Hg
20
1.547
Br2表1.3 某些2流6 体在常压下的0.9粘46度
牛顿流体和 非牛顿流体
1.4.1 牛顿流体 1.4.2 粘度 1.4.3 非牛顿流体
引言
牛顿平板实验揭示出牛顿粘性定 律。由于流体有粘性，紧靠壁面的流 体对于壁面不发生相对运动；实验证 明，相邻流体层之间的切应力 τyx 与 速度梯度 dux/dy 成正比。
牛顿流体的粘度是流体的物性常 数。普通的压强对流体的粘度几乎没 有什么影响；一般情况下认为流体的 粘度只随温度变化。
在温度升高时气体分子热运动变得剧 烈起来，加快不同流速流体层的动量交换 使气体粘度增大。
（2）粘度随温度变化的经验公式
水的粘度随温度变化的关系可以用下 面的经验公式来近似地表示：
0
1 0.0337t 0.000221t 2
（1.4.5）
经验公式（1.4.5）中，
μ0 是水在00C 时的粘度（Pa·s）； t 是水的摄氏温度（0C）。
（3）苏士兰公式
气体的粘度随温度变化的关系可以近 似地用苏士兰 （Sutherland） 公式表示：
0
273 S T S
T 273
3/2
（1.4.6）
苏士兰（Sutherland）公式（1.4.6）中，
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。
非牛顿流体(3)
下，它会像粘性流体一样流动，且其流动性为线性的。
牙膏是宾汉流体的典型例子，需要有一定的压力作用在
牙膏上，才挤出牙膏。
= 0
+
du dy
1.4 非牛顿流体分类
伪塑性流体 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。 其流变曲线如图中的曲线③所示。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
iii 超流动体 超流动体也称帕斯卡液体，其粘度无限小，任何微小
的力都能引起大的流动。例如：液态氦 ⅳ 流体
任何微小的外力都能引起永久变形(不可逆流动)。 ⅴ 塑性体
应力达到一临界值时，这种物体才发生流动，且其形 变完全不可逆。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
ⅵ 塑弹体 此物体在外力作用下既有塑性流动，又有弹性变形，
形变不能完全回复。且以弹性形变为主，塑性流动为副。
ⅶ 粘弹体
在外力作用下既有粘性流动，又有弹性形变，形变缓 慢，不遵守胡克定律，外力解除后留下永久变形。这种物 体以粘性流动为主，以弹性形变为副。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
(2) 流体的分类 i 按照剪切应力与变形率之间的关系，可将流
2.粘弹性流体：兼有粘性和弹性的流体。与粘性流体的主 要区别是外力消除后产生部分的应变回复。与弹性固体 的主要区别是徐变。 除了粘弹性流体以外的牛顿流体和非牛顿流体都称为纯 粘性流体。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
表1 粘性流体的分类
牛顿流体
纯 粘 性 流 体
粘弹性 流体
与
假塑性流体
时 间
膨胀性流体
构，随着剪切流动的进行，结构被破坏，表观粘度减小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
分会邀请报告(IL)
各向异性非牛顿流体新概念本构理论及其
流体动力学研究进展1) 报告人韩式方
（中国科学院成都计算机应用研究所，成都 610041）
*Email : sfh5578@
摘要正文
液晶(LC)高分子是上世纪末迅速发展起来的一类新型高性能高分子材料,它的独特的优异性能引起世界各国的高度重视。
已成为高新技术的新材料, 特别是液晶复合材料和纳米复合材料, 有广阔的应用前景。
在工业流程及自然界存在不少各向异性材料和物质，例如液晶、生物材料、地幔构造及宇宙物质等.纤维悬浮液也是一类各向异性流体, 纤维在流体中的取向影响聚合物的特性. 生物液晶高分子己经是生物医学工程中的一个重要方向.
1、引言
液晶高分子是一类各向异性非牛顿流体(材料),它的流变特性显著区别于一般的各向同性材料或流体 (周其凤,1994;江体乾,2004; 韩式方,2000,2008)。
国际流变学界对LC 高分子流变学的研究长期以来极为重视，并取得一系列研究成果。
我国很重视LC 高分子理论研究及其应用,1987年在上海召开了首次高分子液晶态学术会议。
自1989年至2000年先后召开了七次高分子液晶态学术会议。
2002年和2010年(郑州)又分别召开了第八次至第十一次高分子液晶态与超分子有序态学术会议 (2010 年)兼两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会,其中包括液晶高分子的光、电、磁效应和器件分组,这些研究均是液晶显示的基础性工作。
本报告将综述作者在新概念本构方程理论及其流体力学研究方面的最新进展。
2、物质客观性原理的突破 : 准—物质客观性原理
正如Tanner (1985) 指出，容易构造物理系统，其中物质客观性原理不成立.例如，对于球形粒子悬浮液，其中微－尺度雷诺数不可忽略，上述原理不成立.Zahorski (1982) 曾指出，当考虑研究包含某些场问题时，可以证明相对参考架不变性要求是过于严格(约束性的)！我们要提出与Tanner 和 Zahorski 早已经提出过的类似的问题，物质客观性原理对于各向异性粘弹流体是否也是过分严格的！这是一个应当解决的基础意义的问题.所以，对于各向异性粘弹流体我们进一步发展各向异性流体的简单流体和准—物质客观性原理两个新概念. 对于各向异性粘弹流体,本作者引进新的各向异性简单流体概念, 在构建各向异性粘弹流体本构方程时，替代Green 理论所采用的相对固定坐标系测度的旋转张量)(t R ，引进相对固定坐标系测度的新的自旋张量)(t W s ，它可表达为相对共转坐标系测度的自旋张量)(t W c 与共转张量项目之和.新的各向异性简单流体定义为以下一类流体，其单个粒子上的应力张量是变形梯度全历史F 和相对共转坐标测度的自旋张量W 的泛函. 在共转坐标系中提出新的各向异性粘弹流体简单流体模型. 其本构方程一般关系表达形式
{})(),(£ 0s W s F T −−=∞
τττ (1) 1) 国家自然科学基金基金( 10772177)资助项目
3、各向异性流体新概念本构方程—法向应力差两理论原理
对于剪切流动分析了法向应力差实验结果特点: 1、在平面21,(σσ—)•γ上法向应力差与横坐标轴•
γ相交两次;
2、第一和第二法向应力差与•γ轴相交于同一交点, 可以简化法向应力差的解析表达式，同时得出以下结论, 对于本构方程以下关系式是重要的 12λλ−=, 45λλ−=, 14λαλk =,15λαλk −=
对于所研究的本构方程，以下8个物质函数,或称为8参数是独立的: 200631,,,,,,,βημμαλλλ∗k 。
4、法向应力差的特殊流变学行为
对于简单剪切流动，如管内Poiseuille 流动，应用上述物质函数关系，当向矢平行流动方向时，由所提出的本构方程可以导出第一、第二法向应力差的解析表达式。
同时，通过数学解析方法证明了第一、第二法向应力差曲线与•
γ轴相交两次，从理论上预测了实验中发现的结果。
5、非对称应力张量
在各向异性流体共转型本构方程连续介质理论基础上, 应用本模型导出的剪切流动的剪切应力分量是非对称的，即存在两个剪切应力, 和两个表观粘度，以及存在旋转粘度，对于轴对称剪切流动物质函数由3个增至4个. 这是液晶液体作为显示介质的理论基础。
在液晶高分子液体剪切运动中存在旋转剪切应力而产生复杂的旋涡流动，当光源通过时将出现绚丽多姿的彩色图案。
6、各向异性流体中波传播研究
现代战机和潜艇的隐形技术迅速发展。
隐形技术的核心问题是雷达电磁波在战机和潜艇壳体表面的吸收和反射，涉及其材料的流变性质和波在其中的传播与反射。
因此，研究各向异性流体中的波传播和吸收机理或许能为液晶高分子复合材料作为隐形材料提供某些有用的理论基础。
7、各向异性流体流动
应用上述本构方程连续介质理论，研究了各向异性流体挤出-拉伸流动及其稳定性、计算机智能解析理论、小振幅振荡剪切流动等。
参考文献
[1] 韩式方, 力学丛书: 非牛顿流体本构方程和计算解析理论 (专著 ) 北京: 科学出版社 (2000 )
[2] 韩式方, 各向异性非牛顿流体连续介质力学－液晶高分子流变学 (专著 ) 北京: 科学出版社 (2008 )
[3] Han Shifang (2010) New conception in continuum theory of constitutive equation for anisotropic
crystalline polymer liquids, Natural Science 2 (9), Scirntific Research Publishing USA
[4] Han Shifang (2011) A new constitutive theory for extrusion-extensional Flow of anisotropic liquid
crystalline polymer fluid, Natural Science 3 (4) , Scirntific Research Publishing USA
关键词：准—物质客观性原理; 各向异性简单流体; 本构方程连续介质理论; 液晶高分子液体; 挤出-拉伸流动及其稳定性。