非牛顿型流体的分类
牛顿流体和非牛顿流体的性质比较分析
牛顿流体和非牛顿流体的性质比较分析流体是物质的一种状态，具有流动性。
它广泛存在于自然界中，包括水、空气、油类等。
流体的物理性质对于很多科学领域都有非常重要的影响，因此对于流体特性的研究一直是科学家们关注的热点之一。
在流体的研究中，牛顿流体和非牛顿流体是两个重要的概念，两者在流体的物理性质以及应用方面有很大不同。
在本文中，我们将对牛顿流体和非牛顿流体的性质进行比较分析。
一、牛顿流体的性质牛顿流体是一种特殊的流体，它的黏性是恒定的。
这意味着它的流动性质与它对外力的响应速度成正比例。
换句话说，牛顿流体对外力的响应是瞬时的，而且不受外部切变力大小和方向的影响。
这种特性是牛顿流体的一大特点，可以通过下面的表达式来描述：τ = μγ其中，τ为切变应力，μ为黏性系数，γ为切变速率。
牛顿流体的黏性系数是独立于剪切力大小和流速方向的。
这意味着无论切变应力的大小和方向如何变化，牛顿流体的黏性系数都保持不变。
二、非牛顿流体的性质非牛顿流体是另一种类型的流体，其黏性是可变的。
与牛顿流体不同的是，对于非牛顿流体，其黏性与其应变速率有密切联系。
具体来说，非牛顿流体可以分为剪切稀释型、剪切增稠型和弹性流体三种。
他们的特点分别如下：剪切稀释型：随着剪切应力的增加，流体会变得越来越稀薄。
在这种情况下，黏度与剪切率呈负相关。
剪切增稠型：随着剪切应力的增加，流体会变得越来越稠厚。
在这种情况下，黏度与剪切率呈正相关。
弹性流体：这种流体有着非常强的弹性特性，可以将应变的能量转化为弹性能量，并在失去外力的作用后恢复到原来的状态。
最典型的例子就是胶状物质。
与牛顿流体不同的是，非牛顿流体的黏度是不固定的。
其黏度随着外界切应力的大小和方向的变化而变化。
因此，在实际应用中，非牛顿流体对于渗透、流量和动态特性等问题的研究变得尤为重要。
三、牛顿流体和非牛顿流体的应用比较牛顿流体和非牛顿流体的应用有很大的不同。
牛顿流体的黏性恒定，因此易于在市场上制造和使用。
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。
非牛顿流体
所以：p头
8Q2 22de4
31
钻头水眼有效直径 若有n1个d1, n2个d2 , 则水眼有效直径：
de n1d12 n2d22
31
工程流体力学
六、钻井泵的泵压和功率的计算
• 钻井泵的泵压计算公式：
p泵 gE0 g(hL地面 hL杆 hL挺 hL头 hL环 hL局
24
24
工程流体力学
25
25
工程流体力学
四、水头损失的计算
1、流态的判别：（同牛顿流体用雷诺数）
1）、圆管综合雷诺数：
vd Re综 (1 0d )
6v
Re综 2000 Re综 2000
结构流 紊流
26
26
工程流体力学
2)塑性流体在环形空间流动时的综合雷诺数：
Re 环
vd (1 0d当
其流变方程以幂定律形式表示：
k(du)n
dy
稠度系数
流性指数
凡是流变规律符合幂定律形式的流体，称为幂律流体。
9
9
工程流体力学
流性指数n反映了拟塑 性流体的流变性偏离牛顿流 体的程度。
1）当n=1时，为牛顿流体流变 方程。
2）当n<1时，拟塑性流体， n 越小，表明拟塑性流体和牛 顿流体的流变性差别越大。 K越大，粘度越大。故拟塑 性流体两大特性参数：n,k
4
4
工程流体力学
二、牛顿流体的流变性
1. 流变方程： du
dy
2. 特点：
（1）受到外力作用就流动；
（2）在恒温恒压下， 与 du 的比值为常数
即粘度为常数；
dy
（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 tan 1
非牛顿流体详解
非牛顿流体非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。
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。
高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。
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。
食品工业中的番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、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也都是非牛顿流体。
非牛顿流体的分类非时变性非牛顿流体一、"膨胀性流体"或"胀塑性流体它是一种"吃软不吃硬"的流体，表现为流体的粘度随剪切速率的增大而增大。
比如常见的淀粉＋水，口香糖等。
二、"假塑性流体"表现为流体的粘度随剪切速率的增大而减小。
许多高分子熔体或者溶液都属于假塑性流体。
这一类流体生活中十分常见，但是不易被提起。
比如北方人吃火锅常吃的麻酱，吃炸鸡时候的番茄酱，早上喝的酸奶，洗澡用的沐浴露等等，都是假塑性流体。
三、"宾汉流体"它具有一定的"屈服应力"。
此处的"屈服应力"指的是使流体产生大于0的剪切速率所需要的最小剪切应力。
简单的来说，就是当你以一个较小的剪切力作用流体时流体不会表现出流动性，只有超过了某一个应力值，流体才会表现出流动性。
生活中最为典型的例子就是牙膏。
挤牙膏挤牙膏，牙膏不挤是不会自己出来的。
时变性非牛顿流体一、“触变性流体”这一类流体在恒定的剪切应力和剪切速率作用下，其粘度会随着剪切应力作用时间改变，时间持续越长，粘度越小。
非牛顿流体的本质与流动特性
非牛顿流体的本质与流动特性引言在流体力学领域中，牛顿流体是最常见的一种流体类型。
牛顿流体按照牛顿第二运动定律的描述可以简化为线性关系，流体的黏度不随剪切速率的改变而改变。
然而，在实际应用中，我们经常会遇到一些黏度随剪切速率变化的情况，这些流体被称为非牛顿流体。
非牛顿流体的本质与流动特性是流体力学中一个重要的课题。
本文将从非牛顿流体的定义、分类、流动特性以及应用等方面进行综述，以加深对非牛顿流体的理解。
非牛顿流体的定义非牛顿流体是指其黏度随剪切速率或剪切应力的改变而改变的流体。
与牛顿流体相比，非牛顿流体在应变速率较大时显示出了明显的非线性特征。
非牛顿流体的变形行为分为弹性变形和粘性变形两种。
弹性变形指的是流体在受力后恢复原状的能力，而粘性变形则是指流体在受力后无法完全恢复原状的现象。
非牛顿流体的分类根据非牛顿流体的流动性质和黏度变化规律，可以将其分为多种类型，下面介绍几种常见的非牛顿流体分类。
塑性流体塑性流体是一种在低应力下表现为固体，而在较高应力下才表现为流体的非牛顿流体。
当外力大于一定临界值时，塑性流体才能发生流动。
塑性流体的流动规律可由卡塞格伦模型描述，该模型将塑性流体视为一种存在阻力的弹簧系统。
粘弹性流体粘弹性流体是指既具有弹性固体的特性，又具有粘性流体的特性的一类材料，其黏度随变形速率和时间的改变而改变。
粘弹性流体可用弹簧和粘滞器并联的模型进行表征，其流变行为介于弹性固体和牛顿液体之间。
纳米流体纳米流体是指在普通流体中加入纳米颗粒后形成的流体，纳米颗粒的添加使得流体具有了新的特性。
纳米流体的黏度和流变行为与纳米颗粒的浓度和形状密切相关。
纳米流体具有优异的热导性和力学性能，在热传导和润滑方面具有广泛的应用前景。
非牛顿流体的流动特性非牛顿流体的流动特性主要表现在其剪切应力与剪切速率之间的非线性关系上。
剪切稀释效应剪切稀释效应是非牛顿流体的一种典型的非线性特征，指的是黏度随剪切速率的增加而降低的现象。
《工程流体力学》第九章非牛顿流体的流动
2 w
2
2
0
(
w
)
p 4L p
(R r0 )2 (r r0 )2
当 r r0时，流核区的流速:
v0
p
4L p
(R
r0 )2
流动规律
2、流量:流核的流量+梯度区的流量
Q Q0 Q1
Q0
r02v0
r02
p
4L p
(R
r0 )2
《工程流体力学》
第九章 非牛顿流体的流动
主讲人：肖东
石油工程学院
9-1 基本概念
一、非牛顿流体的定义 二、非牛顿流体的分类 三、流变方程
基本概念
一、非牛顿流体概论 1.定义： 凡是应力和应变速度之间的关系不满足牛顿内 摩擦定律的流体称之非牛顿流体。
2.流变学：研究材料流动和变形的科学 固体流变学
所以： 0
p0 R 2L
这样，宾汉流体在圆管内流动的条件是：压差 p p0
流动规律
比较以上各式可得： 0 p0 r0 w p R
因
du dy
f ( ) 1 p
(
0)
由此可得：
1、速度分布
u R w
w 1
p
(
0 )d
r
2 p w
d 2
4
G sin
dL
0
而 G d 2 L
4
( p1 p2 )d d sin
4L
4
研究方法
当管路水平放置
( p1 p2 )d ( p1 p2 )R
非牛顿流体的类型
非牛顿流体的类型
非牛顿流体分为：粘性液体、粘弹性液体、弹性液体。
非牛顿流体，是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。
非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。
绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体。
任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体称为牛顿流体。
最简单的牛顿流体流动是二无限平板以相对速度U相互平行运动时，两板间粘性流体的低速定常剪切运动（或库埃特流动）。
非牛顿流体
自然界中具非牛頓特性的流體(non-Newtonian characteristics) 極為普遍，尤以材料加工時所處理的對象，如高分子的熔融物或溶液等多為如此，故有必要介紹此類流體之分類與流變性質。
本節中將就分類方法以及牛頓／非牛頓流體之特性作一定性的簡介。
依剪應力τ對剪應變特性的不同，流體可作如下分類：說明：Shear dependant：黏度隨著剪應變率而改變。
Time dependant：黏度隨著施加剪應變之時間而改變。
上述分類部份互有重疊之處，如：具shear-dependant 特性之流體可能在典型的操作剪應變率(速度變化) 下大致仍可視為牛頓流體具time-independent 之流體只是在典型的操作時間內，黏度未隨時間有明顯變化，但在比較長的時間區間內，仍可能有所變化。
另非牛頓流體往往具有一定之黏彈性，視不同。
分類(5)：搖溶性流體(Thixotropic fluid)當一流體所受γ逐漸增加與逐漸減少時所顯示的流變曲線不同時，則其流變性質(或分子排列結構) 不但與所受剪力有關(shear-dependent)，也與剪力施於其上的時間長短與過程有關(time-dependent)。
這樣的流體又可分成兩類，如果在同一γ之下，流體之視黏度隨時間而逐漸減少，則稱其為「搖溶性流體」(thixotropic fluid，或譯為「搖變性流體」)；反之，則稱為「抗流變流體」(rheopectic fluid，或譯為「震凝性流體」)。
搖溶性流體之流變曲線如下所示，當γ逐漸增加時，其流變曲線與擬塑性流體一樣，τ-γ曲線呈凹口向下；在達到某一最高τ後，逐漸降低γ，則會量測到另一曲線，其對應之τ較原本之低，換言之其流變性之變化為不可逆的(irreversible) ，故搖溶性可以視為不可逆的擬塑性(irreversiblepseudoplasticity)，或隨時間而變之剪薄性(shear-thinning with time)；若以視黏度對γ作圖，則會發現μa隨γ增加而下降，當γ減少時，μa仍會增加，但小於原值；在γ為定值時，則會發現τ與μa隨著時間而下降，並逐漸趨近一定值(τ∞與μa,∞)；因要描述對黏度對時間之變化較複雜，故μa,∞經常會被選作為此類流體之代表性黏度。
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。
非牛顿流体
非牛顿流体简介引言流体是一种特殊的物质状态，其具有流动性和变形性。
根据牛顿流体定律，流体的粘度（也称为黏性）是恒定的。
然而，在一些特殊情况下，一些流体不遵循这种定律，它们被称为非牛顿流体。
非牛顿流体的粘度取决于剪切速率或剪切应力的大小和方向。
本文将对非牛顿流体进行介绍，包括其定义、特性、分类和应用领域。
定义非牛顿流体是指其粘度随剪切速率或剪切应力的变化而变化的流体。
牛顿流体的粘度是恒定的，而非牛顿流体的粘度是可变的。
特性非牛顿流体具有以下特性：剪切变稀当施加剪切力时，非牛顿流体的粘度会减小，流动性增强。
这种现象被称为剪切变稀。
剪切变稀的非牛顿流体在施加剪切力后流动性变得更好，类似于液体。
剪切变稠有些非牛顿流体在施加剪切力时，其粘度会增加，流动性减弱。
这种现象被称为剪切变稠。
剪切变稠的非牛顿流体在施加剪切力后流动性变得更差，类似于固体。
黏弹性非牛顿流体还可以表现出黏弹性。
黏弹性是指非牛顿流体在施加剪切力后，粘度会随时间的推移而改变。
具有黏弹性的非牛顿流体在受力后可以保持形变，并且在撤力后会逐渐恢复原状。
非线性粘度牛顿流体的粘度与剪切速率成正比，而非牛顿流体的粘度与剪切速率不呈线性关系。
这意味着非牛顿流体的粘度可能随剪切速率的变化而变化。
分类非牛顿流体可以根据其粘度随剪切速率或剪切应力变化的方式进行分类。
主要的分类包括以下几种：塑性流体塑性流体是一种在没有施加剪切力时是固体，在施加剪切力达到一定阈值后才开始流动的非牛顿流体。
当剪切力超过阈值时，塑性流体会发生变形。
粘弹性流体粘弹性流体是指同时具有粘性和弹性特性的非牛顿流体。
粘弹性流体的行为介于固体和液体之间。
它们在受力时会发生形变，但在撤力后又会恢复原状。
假塑性流体假塑性流体又称为伪塑性流体，其粘度随剪切速率的增加而减小，但没有阈值。
假塑性流体在不受剪切力作用时呈现固态，但在施加剪切力时会变得流动。
剪切变稀流体剪切变稀流体的粘度随剪切速率的增加而减小。
非牛顿型流体名词解释
非牛顿型流体名词解释非牛顿型流体又称非牛顿流体是指流体中存在某些非牛顿流体的性质，使其黏度小于牛顿流体。
在油气井的生产过程中，经常遇到由于高温高压造成的大量低渗透率的油层或渗透率很小的油藏，在进行井下作业过程中需要借助于特殊钻头将井筒内钻屑清理干净以便实现油井生产，在此过程中可能会遇到油水界面过渡带和完井液堵塞造成井眼坍塌的情况，因此需要研究这两种情况对油气井影响的机理及解决办法，而低渗透率油藏一般具有较强的不稳定性，同时伴随着地应力和地层损伤效应，这些因素使得该类油藏具备了“黏弹性”，导致了该类油藏具有非牛顿流体的性质，即较低的黏度。
流体类型：黏性流体、高分子溶液、胶体等。
黏度：液体或气体在流动时所表现出的一种特性，用于描述液体或气体的一些性质。
若液体在固体中运动的难易程度叫做流动性，若气体或液体在空气中运动的难易程度叫做流动状态，若粘滞性是描述流体在运动时内部阻力的一种特性，那么他们的数值都是相等的，用a表示。
粘度是测定液体或气体粘滞性的物理量，指流体抵抗流动的能力。
在静止流体中测定，称为运动粘度；在流动流体中测定，称为动力粘度。
粘度是液体或固体内部各微粒间的内摩擦或分子间的吸引力，这种内摩擦或分子间的吸引力就是粘滞力，它使流体层之间或固体层之间产生相对运动。
黏度可分为动力粘度、运动粘度、相对粘度和条件粘度等，其中以运动粘度为最常用。
测量仪器：常用的粘度测量仪器有毛细管粘度计、蠕动泵粘度计和旋转粘度计。
21世纪是一个信息化的时代，人们利用网络进行交流已成为日常生活的主要方式，人们可以在网上与他人进行文字、图片、语音等多种形式的交流，但是人们并没有意识到其实交流也可以是另外一种形式——视频。
视频即是把图像、声音、文字等组合成视频文件。
在网上通过视频软件就可以看到自己想要观看的东西，视频广泛地应用于各个领域，如医疗诊断、教育培训、金融、旅游等。
视频技术还包括文件传输协议的定义、格式和视频的编码标准。
非牛顿型流体名词解释
非牛顿型流体名词解释非牛顿型流体是指在拉普拉斯式流体的状态方程中，既含有粘性力也含有惯性力的流体。
由于这类流体的粘度受到固体壁面的影响而改变，所以通常称之为非牛顿型流体。
例如气体和液体介质。
同步性：液体介质（固体、气体和液体）都存在一种自然的特性——对时间的依赖性。
对时间的依赖性来源于表观粘性。
在流动过程中，表观粘性引起内摩擦力矩随时间发生周期性变化，这就造成了不同流速区域上内摩擦力矩的不均匀分布，使得同一流速范围上粘滞系数的差别较大。
因此，液体介质具有不可压缩性和不可屈服性，即液体的性质具有不连续性。
2）稳定性：指系统从某个初始值经过某一变化过程回到该初始值，或在这一过程中保持恒定不变的性质。
稳定性表现为介质的运动速度与流量、压强等物理量的关系。
由于液体、气体、蒸汽都属于热力学不稳定系统，只有当外界条件在很长时间内能维持不变，才具有这种性质。
4）静压力梯度：是介质单位高度上静压力与总压力之比。
也叫静压力梯度，用表示。
5）扩散：扩散是指流体微团从邻近点向远处迁移的现象。
影响扩散的主要因素有温度、浓度、流速、粘度、电磁场、杂质等。
6）等熵指数：为各变量的相对量，用来衡量各变量间的比例，即用它来表征流体流动中混合程度。
7）热导率：又称导温系数，用来表征流体导热能力的大小，是反映物质热传导能力的一种参数。
8）比热容：单位质量的物质在温度不变的条件下，吸收一定热量后所增加的内能，叫做这种物质的比热容。
9）密度：单位体积的流体所具有的质量。
密度由液体、气体、固体的密度所组成。
10）气穴：当气体迅速膨胀时，出现了局部的低压区，在低压区内的气体分子会产生浮升运动而使整个气体呈现膨胀现象，形成了局部的低压区。
11）内摩擦力矩：在管道截面或元件中因为摩擦而引起的内部阻力。
12）切应力：流体在一般情况下处于平衡状态时，流体分子之间的距离保持不变，但各个微团的相互位置却随时间变化而发生周期性的变化，产生了内摩擦力矩，并且随着外加的压力而发生周期性变化，最终将导致流体被破坏而产生内部破裂。
非牛顿流体力学及其应用
非牛顿流体力学及其应用
非牛顿流体力学是研究流体在剪切应力作用下呈现非线性、时间依赖、非稳态的流动特性的一门学科。
与牛顿流体力学不同，非牛顿流体的粘度随着剪切应力的变化而变化，因此在实际应用中具有广泛的应用价值。
一、非牛顿流体的分类
1. 粘弹性流体：在剪切应力下，流体会发生形变，但在剪切应力消失后，流体会恢复原状。
如胶体、高分子溶液等。
2. 塑性流体：在剪切应力下，流体会发生形变，但在剪切应力消失后，流体不会恢复原状。
如泥浆、糊状物等。
3. 粘塑性流体：在剪切应力下，流体会发生形变，但在剪切应力消失后，流体只能部分恢复原状。
如糊状物、胶体等。
二、非牛顿流体的应用
1. 食品工业：非牛顿流体在食品工业中应用广泛，如酸奶、果酱、巧克力等。
这些食品都是由非牛顿流体组成的，通过调整流体的粘度和流变特性，可以制作出不同口感和质地的食品。
2. 石油工业：非牛顿流体在石油工业中也有广泛应用。
例如，钻井泥浆就是一种塑性流体，它可以在井口形成一层薄膜，防止油气从井口泄漏。
3. 医学领域：非牛顿流体在医学领域中也有应用。
例如，血液就是一种非牛顿流体，它的流变特性对于血液循环和疾病诊断都有重要影响。
4. 材料科学：非牛顿流体在材料科学中也有应用。
例如，高分子材料的流变特性对于制备高分子材料具有重要意义。
总之，非牛顿流体力学的研究和应用对于现代工业和科学技术的发展都具有重要意义。
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。
流体力学第6章 非牛顿流体
牛顿流体：水、空气、甘油、汽油…… 非牛顿流体：泥浆、PAM水溶液、“三高”原油、熔体、胶体、血液……
2、非牛顿流体的分类
粘性流体的分类
牛顿流体
与 假塑性流体
纯
时 间 膨胀性流体
非
粘
无 宾汉流体(塑性流体)
性
关
牛
流
的 屈服-假塑性流体
顿
屈服-膨胀性流体
体 与 有 触变性流体
流
时关 间 的 震凝性流体
1
2
—— 卡森粘度
0 —— 卡森屈服应力
1
2
1 2
§7-2 非牛顿流体的圆管定常层流流动
这里仅介绍应用力平衡关系的方法来研究非牛顿流体的流动规律。
一、Stokes关系式
dp
流中体作在定压常力层梯流度流动dx 。的作用下，在圆管
在直的圆管内取一个半径为r、长度为L的圆柱形流体段。根据沿轴线力的平衡 条件，得：
1
C
p
n
n
1n
Rn
2KL 1n
∴
u2KpL1n1nnR1nn1R r1nn
（1）流量Q
1
QRu2rd rpn n R3n n1
0
2KL3n1
（2）平均流速 V
1
VQ R2 2 KpL n3nn1R1nn
（3）断面速度比
u V
3nn111
1n
rn
R
（4）压降△p
pQn1n3nn
2KL R13n
奶酪生产情景：奶酪从管 中流出后马上胀大
（4）无管虹吸
牛顿流体
粘弹性流体
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。
非牛顿流体的原理
非牛顿流体的原理非牛顿流体是指在受力作用下，其流动性质随着应力的变化而变化的流体。
与牛顿流体不同的是，非牛顿流体的黏度是一个变量，而不是一个常数。
非牛顿流体的研究对于理解复杂流体的行为以及在工程和科学领域中的应用具有重要意义。
首先，我们来看一下非牛顿流体的分类。
根据其流变性质，非牛顿流体可以分为剪切稀释型和剪切增稠型两种类型。
剪切稀释型的流体在受到外力作用时，黏度会随着剪切速率的增加而减小，例如血液和墨水；而剪切增稠型的流体则是在受到外力作用时，黏度会随着剪切速率的增加而增大，例如淀粉溶液和涂料。
非牛顿流体的原理可以通过流变学来解释。
流变学是研究物质在外力作用下变形和流动规律的学科。
在非牛顿流体中，流变学描述了应力和变形速率之间的关系。
对于剪切稀释型流体来说，当受到外力作用时，其分子结构会发生变化，导致黏度的减小；而对于剪切增稠型流体来说，外力作用会促使其分子结构排列更加紧密，从而增大黏度。
此外，非牛顿流体的行为还可以通过流变学模型来描述。
常见的非牛顿流体模型包括Maxwell模型、Kelvin模型和Jeffreys模型等。
这些模型基于不同的物理假设，可以用来描述非牛顿流体在受力作用下的变形和流动特性。
通过这些模型，我们可以更好地理解非牛顿流体的行为，并且为工程应用提供理论基础。
非牛顿流体在工程和科学领域中具有广泛的应用。
例如，在食品工业中，许多食品的加工过程涉及到非牛顿流体，如果酱、酸奶等；在石油工业中，非牛顿流体的流变性质对于油井注入、油藏开发等方面具有重要意义；在生物医学领域，血液作为一种非牛顿流体，其流变性质对于疾病诊断和药物输送有着重要影响。
总之，非牛顿流体的原理是一个复杂而又有趣的课题。
通过对非牛顿流体的研究，我们可以更好地理解复杂流体的行为规律，并且将其应用于工程和科学领域，推动技术的发展和进步。
希望本文能够帮助读者对非牛顿流体有一个更加深入的了解，激发对于流体力学和流变学的兴趣。
非牛顿流体的实验原理
非牛顿流体的实验原理引言非牛顿流体是流体力学中的一类特殊材料，其粘度不仅依赖于流体的剪切应力，还依赖于剪切速率。
这种特殊的流体行为在实际应用中具有重要意义，如涂料、美容产品、食品加工等领域。
了解非牛顿流体的实验原理对于掌握和应用这类材料具有重要意义。
本文将介绍非牛顿流体的实验原理及其常用的实验方法。
实验原理非牛顿流体的定义和分类非牛顿流体是指其流变性质与牛顿流体不同的流体。
牛顿流体的粘度恒定，且剪切应力与剪切速率成正比。
而非牛顿流体的粘度与剪切应力或剪切速率之间存在非线性关系。
根据非牛顿流体的流变特性，可以将其分为两类：剪切稀释型和剪切增稠型。
剪切稀释型非牛顿流体在剪切过程中粘度减小，如乳液、悬浮液等。
剪切增稠型非牛顿流体在剪切过程中粘度增加，如巴斯德黏合剂、半固体混凝土等。
剪切流变学剪切流变学是研究非牛顿流体的变形和流动规律的学科。
在剪切流变学中，常用的流变学参数有剪切应力、剪切速率和粘度。
•剪切应力：剪切应力是单位面积上的切应力，表示流体由于受到剪切作用而产生的应力。
常用符号为τ。
•剪切速率：剪切速率是流体在单位时间内的变形速率，表示流体流动的快慢程度。
常用符号为γ̇。
•粘度：粘度是流体阻力的度量，表示流体流动抵抗外力的程度。
粘度的倒数称为流动度，常用符号为η。
流变学实验方法流变学实验是研究非牛顿流体流变性质的重要手段。
下面介绍两种常用的流变学实验方法。
剪切应力-剪切速率实验方法剪切应力-剪切速率实验是测量非牛顿流体粘度的常用方法，通过施加剪切应力和测量剪切速率来确定流体的流变性质。
实验步骤如下： 1. 准备实验样品，将非牛顿流体放入流变仪的测量槽中。
2. 调节流变仪的剪切应力，使其在一定范围内变化。
可以采用旋钮或电脑控制方式进行调节。
3. 测量剪切速率，可以通过流变仪自带的传感器得到剪切速率值。
4. 记录剪切应力和剪切速率的数据，并计算粘度值。
通过绘制剪切应力-剪切速率曲线（也称为流变曲线），可以观察非牛顿流体的流变性质，如剪切稀释型或剪切增稠型。
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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 yσσησσσσγ/)(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，或第一Newton 区。
零剪切粘度0η是一个重要材料常数，与材料的平均分子量、粘流活化能相关，是材料最大松弛时间的反映。
当剪切速率γ&超过某一个临界剪切速率c γ&后，材料流动性质出现非牛顿性，表观剪切粘度γ&的增大而下降，出现“剪切变稀”行为。
该区域是高分子材料加工的典型流动区。
由于这段曲线上一点的切线与σ轴的交点，类似于Bingham 塑性体的屈服点，故称为假塑性区域，或称非牛顿流动区，或剪切变稀区域。
当剪切速率非常高，∞→γ&时，剪切粘度又会趋于另一个定值∞η, 称无穷剪切粘度，这一区域有时称第二Newton 区。
这一区域通常很难达到。
图2-17 假塑性高分子液体的流动曲线为描述高分子液体的流动规律，人们提出各类形式的状态方程（本构方程），将在第三、四章详细介绍。
这里按循序渐进原则，首先介绍几个描述高分子液体粘度变化规律的实用经验方程。
4． 2。
1 Ostwald-de Wale 幂律方程实验发现，许多高分子浓溶液和熔体，在通常加工过程的剪切速率范围内（大约γ&=100-103 s -1），在一个小区间中，剪切应力与剪切速率满足如下经验公式（图2-18）：n K γσ&⋅= （2-77）或 1-⋅==n a K γγση&&（2-78） 式中K 和n 为材料参数。
γσ&ln ln d d n = （2-79） nK 是与温度有关的参数。
对Newton流体，n =1，K =η0；对假塑性流体，n<1。
n偏离1的程度越大，表明材料的假塑性（非牛顿性）越强；n与1之差，反映了材料非线性性质的强弱。
一般橡胶材料的n值比塑料更小些。
同一种材料，剪切速率越大，材料的非牛顿性越显著，n值越小，见表2-1。
n值可以作为材料非线性强弱的量度，因此所有影响材料非线性性质的因素也必对n值有影响。
如温度下降、剪切速率升高、分子量增大、填料量增多等，都会使材料非线性性质增强，从而使n值下降。
反之填入软化剂，增塑剂则使n值上升。
图2-18 几种聚合物熔体剪应力与剪切速率的关系（测试温度200℃）幂律方程因其公式的简单性，在工程上有较大实用价值。
许多描写材料假塑性行为的软件设计程序采用幂律方程作为材料的本构方程。
其缺陷在于它只是一个经验方程，不能描写材料的弹性行为，且适用的γ&范围窄。
表2-1 六种高分子熔体的n值随γ&的变化4．2。
2 Carreau方程为了既反映高剪切速率下材料的假塑性行为，又反映低剪切速率下的Newton行为，Carreau提出如下公式描写材料粘度的变化：()c b aγη&+=1a （2-80）式中，a ，b ，c 为三个待定参数，可通过与实验曲线的对比加以确定。
当0→γ&, 由上式得()ca ab a b a -=>>==γηγηη&&,/1;0，相当于幂律方程；当γ&与1/b 值相当时，公式反映了材料性质由线性区向幂律区的过渡。
可见Carreau 公式能够描述比幂律方程更广的区域内材料的流动性质。
但是Carreau 公式中有三个待定常数，比幂律方程多一个，因此更复杂些。
也有许多软件设计程序采用Carreau 公式作为材料的本构方程。
4．2．3 Cross 方程 方程形式为 m K γηηηη&+-+=∞∞10a （2-81） 公式中有四个材料参数m K ,,,0∞ηη。
Carreau 方程和Cross 方程同样是经验方程。
高分子液体的这种假塑性流动性质，对其加工行为有重要影响。
根据“剪切变稀”规律，我们可以在一定剪切速率范围内，适当提高γ&（提高机器转速，提高推进速度等），以降低材料粘度，增加流动性，降低能耗，提高生产效率。
根据流动曲线也发现，当γ&大到一定程度，材料粘度降到一定程度时，逐步趋于稳定。
图2-19给出在线性坐标图中两种天然橡胶混炼胶的流动曲线，图中在γ&= 4X102 s -1附近，材料粘度基本不再变化。
因此如果加工时能找到这样的区间，使加工速度维持在此区间内，则可以避免因γ&的微小波动而引起粘度波动，使产品质量稳定。
比如橡胶制品收缩率的控制即与剪切速率γ&有关。
收缩率稳定，才可通过预置放大量对制品尺寸进行调整。
图2-19还表明，当γ&足够高后，再提高机器转速，并不能使材料粘度进一步下降，反而易引起弹性湍流，发生熔体破裂，损坏制品外观质量。
过高机器转速还消耗大量能量，使物料温升过高，严重的会造成事故。
图2-19 两种天然橡胶混炼胶的流动曲线4．3 胀流性流体主要流动特征是γ&很低时，流动行为基本同牛顿型流体；γ&超过某一个临界值后，剪切粘度随γ&增大而增大，呈剪切变稠效应，流体表观“体积”略有膨胀，故称胀流性流体（dilatant ）。
其流动曲线如图2-21中曲线3，若采用幂律方程描写其剪切变稠区的流动规律，则流动指数n >1。
图2-21 几种典型流体的流动曲线5． 关于剪切粘度的深入讨论剪切粘度是高分子材料流变性质中最重要的材料函数之一，也是人们在表征高分子材料流变性时首先进行测量并讨论得最多的物料参数。
关于剪切粘度的测量方法已相当成熟，大量实验数据表明，高分子材料的剪切粘度受众多因素影响。
这些因素可归并为：实验条件和生产工艺条件的影响（温度T ；压力p ；剪切速度γ&或剪切应力σ等）；物料结构及成分的影响（配方成分）； 大分子结构参数的影响（平均分子量W M ；分子量分布n W M M /；长链支化度等）。
这儿首先讨论前两个方面的影响，关于粘度与大分子结构参数的关系在第四章讨论。
5．1 温度T 的影响高分子材料流动过程中，温度T 和压力p 对物料的流动行为影响显著。
图2-23给出温度和压力变化对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）零剪切粘度的影响。
可以看出温度升高时，物料粘度下降；压力升高时，物料粘度上升。
压力升至55MPa （550bar ）时，PMMA 的零剪切粘度增高近十倍；而如果要保持粘度不变，则温度要相应地升高大约23℃。
图2-23 PMMA 的粘度与温度和压力的关系在双对数坐标图中绘出同一高分子材料（图2-25中为乙酸丁酸纤维素）不同温度下的粘度曲线，可以发现有两大特点：一，温度升高，物料粘度下降；温度的影响在低剪切速率范围特别明显，尤其对0η的影响很大；二，不同温度下的粘度曲线形状相似，只是位置因温度不同而相对位移。
图2-25 不同温度下乙酸丁酸纤维素的粘度曲线温度是分子无规热运动激烈程度的反映。
温度上升，分子热运动加剧，分子间距增大，较多的能量使材料内部形成更多的“空穴”（自由体积），使链段更易于活动，分子间的相互作用减小，粘度下降。
温度远高于玻璃化温度Tg 和熔点T m 时（T>Tg+100℃），高分子熔体粘度与温度的依赖关系可用Andrade 方程（即Arrhenius 方程）描述：()RT E Ke ηη=T 0 （2-85） 式中)(0T η为温度T 时的零剪切粘度；K 为材料常数，)(0∞→=T K η； R =E称粘流活化能。
8.314 J·mol-1·K-1为普适气体常数；η粘流活化能定义——流动过程中，流动单元（对高分子材料而言即链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量（单位：J·mol-1或kcal·mol-1）。
E既反映材料流动的难易程度，更重要的反映了材料粘度随温度变化η的敏感性。
由于高分子材料的流动单元是链段，因此粘流活化能的大小与分子链结构有关，而与总分子量关系不大。
一般分子链刚性大，极性强，或含有较大侧基的高分子材料，粘流活化能较高，如PVC、PC、纤维素等。
相反，柔性较好的线型分子链高分子材料粘流活化能较低。
表2-2给出几种高分子材料粘流活化能的值。