什么是非牛顿流体.docx

什么是非牛顿流体什么是非牛顿流体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。由此得到了著名的牛顿粘性定律。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。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。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、奶油等这些非常粘稠的液体,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。3非牛顿流体的分类非牛顿流体可分成四类:(1)无弹性流体,其粘度不是常量的流休;(2)具有屈服应力的流体;(3)具有各种弹性特性的流体;(4)触变流体。对于不可压、各同同性的流体,应力张量可以写成:S=-pI+T式中p为标量,I是单位张量,T是偏应力张量。老师在课堂上讲到,牛顿流体的本构方程可以写为T=2ηD式中为D=12(L+LT)是应变率张量,L=∇V是速度梯度,η为粘度,一般为常数。上述方程可以很好地描述绝大多数具有低分子量流体的性质,但许多具有高分子量的流体不满足,我们称这类流体为非牛顿流体。为了说明牛顿流体与非牛顿流体之间的差别,考虑它们在简单剪切流动里的特性。流体被装在两块无限大的平行平板之间,下面的平板固定,让上板以常速度V0沿x方向运动,得到速度分布Vx=γy,vy=0,vt=0式中γ=V0/h是剪切率。从而得到应力分布T(xy)=τ=ηγ其余应力分量为零。对于牛顿流体,τ/γ是一个常数,但对于许多非牛顿流体,它不是一个常量。,对于许多非牛顿流体,比值τ/γ是γ的函数,所以τ和γ之间的关系式可写成τ=η(γ)γ式中ηγ称为表观粘度。对于聚合物熔体和聚合物溶液,η(γ)是γ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,η(γ)是γ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