非牛顿流体力学的研究内容和研究方法
非牛顿流体的流变特性研究
非牛顿流体的流变特性研究流变学是物理学和工程学的一个重要分支，研究物质的流动和变形行为。
非牛顿流体是一类特殊的流体，其流变特性与牛顿流体有所不同。
本文将探讨非牛顿流体的流变特性以及相关研究进展。
一、非牛顿流体简介非牛顿流体是指在变形应力与变形速率不成比例关系的流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体的黏度会随着剪切速率或剪切应力的变化而变化。
根据剪切速率变化对黏度的影响，非牛顿流体可以分为剪切稀释流体和剪切增稠流体两类。
剪切稀释流体在剪切速率增加时，黏度会下降，即流体的流动性增加。
这种现象常见于高分子溶液、悬浊液等。
剪切增稠流体则在剪切速率增加时，黏度会增加。
其中最著名的例子是玉米淀粉和水混合后形成的液体，即所谓的“奇观物质”。
二、非牛顿流体的流变模型非牛顿流体的流变行为可以通过多种模型来描述，其中最常用的是幂律模型和卡门模型。
幂律模型基于幂律关系，即剪切应力与剪切速率的幂函数关系。
该模型形式如下：τ = K × (γ・)^n其中，τ表示剪切应力，K为比例常数，γ・为剪切速率，n为流变指数。
流变指数n的值可以用来刻画非牛顿流体的流变类型。
若n>1，表示为剪切增稠流体；若0<n<1，表示为剪切稀释流体；若n=1，表示为牛顿流体。
卡门模型则假设非牛顿流体的黏度与剪切应力呈指数关系。
该模型形式如下：η = A × e^(Bτ) + C其中，η表示黏度，A、B和C为常数，τ为剪切应力。
卡门模型适用于描述粘弹性较高的非牛顿流体。
三、非牛顿流体的研究进展随着科学技术的不断发展，非牛顿流体的研究也取得了丰富的进展。
研究人员通过实验和理论模拟，深入探讨了非牛顿流体的性质和应用。
在实验方面，研究人员通过流变仪等工具，对不同类型的非牛顿流体进行流变学特性测试。
例如，他们研究了聚合物溶液的剪切流变行为以及微乳液的流动性等。
实验结果揭示了非牛顿流体在不同温度、浓度和剪切条件下的特性，为相关领域的应用提供了理论基础。
非牛顿流体力学的理论与实验研究
非牛顿流体力学的理论与实验研究引言非牛顿流体是指其粘度与剪切率不呈线性关系的流体。
相比牛顿流体，非牛顿流体在流动时表现出复杂的力学性质，涵盖了许多实际应用中的重要流体，如血液、液态聚合物、液晶等。
非牛顿流体力学的理论与实验研究，对于解释和预测这些流体的行为具有重要意义。
本文将探讨非牛顿流体的力学特性、流变学模型及其在工业和生物医学领域的应用。
非牛顿流体的分类和特性根据粘度对剪切速率的依赖关系，非牛顿流体可以分为剪切稀化流体和剪切增稠流体。
剪切稀化流体的粘度随剪切速率的增加而降低，如稀胶、颗粒悬浊液等；剪切增稠流体的粘度则随剪切速率的增加而增加，如胶体溶液、聚合物溶液等。
此外，非牛顿流体还具有以下特性：1.时滞性：非牛顿流体的应变历史对其流变性能有影响。
在应变速率较慢的情况下，非牛顿流体的粘度可能会随时间而增加。
2.剪切变薄：当非牛顿流体在剪切应力作用下流动时，流动层内部粘度较低，形成剪切薄化现象。
这一现象广泛应用于润滑和涂覆等领域。
3.剪切率依赖：非牛顿流体的粘度与剪切速率相关。
粘度可以随着应力的增加而呈线性或非线性变化。
非牛顿流体的流变学模型为了描述非牛顿流体的流变行为，研究者们提出了多种流变学模型。
下面介绍几种常见的模型：1.简体模型：该模型假设非牛顿流体的粘度仅与剪切速率有关，与历史无关。
其中最简单的是功率法则模型，其表示为τ = K·(dγ/dt)^n，其中τ表示切应力，γ表示剪切应变速率，K为常数，n为指数。
2.复杂模型：这些模型考虑了非牛顿流体的时间依赖性，如Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型和Jeffreys模型等。
Maxwell模型由弹簧和阻尼器串联组成，能够很好地描述非牛顿流体的粘弹性。
3.统计力学模型：这些模型通过统计物理学的方法，研究非牛顿流体的微观结构与流变行为之间的关系，如网格模型和聚合物模型等。
非牛顿流体的实验研究为了验证非牛顿流体的流变学模型，研究者们进行了大量的实验研究。
一类非牛顿流体流动问题的变分原理和广义变分原理
一类非牛顿流体流动问题的变分原理和广义变分原理非牛顿流体是指在流动过程中，其粘度随着剪切速率的变化而变化的流体。
非牛顿流体的流动问题一直是流体力学研究的热点之一。
本文将介绍一类非牛顿流体流动问题的变分原理和广义变分原理。
一、变分原理变分原理是研究非牛顿流体流动问题的重要方法之一。
变分原理是指将流体力学问题转化为一个变分问题，通过求解变分问题得到流体力学问题的解。
对于一类非牛顿流体流动问题，其变分原理可以表示为：$$\delta \int_{t_1}^{t_2} \int_{\Omega} \mathcal{L}(u,\nabla u) dx dt =0$$其中，$\mathcal{L}(u,\nabla u)$是拉格朗日密度函数，$u$是速度场，$\nabla u$是速度场的梯度，$\Omega$是流体的空间域，$t_1$和$t_2$是时间区间，$\delta$表示变分操作。
二、广义变分原理广义变分原理是变分原理的推广，它可以用于求解更加复杂的非牛顿流体流动问题。
对于一类非牛顿流体流动问题，其广义变分原理可以表示为：$$\delta \int_{t_1}^{t_2} \int_{\Omega} \mathcal{L}(u,\nabla u) dx dt +\int_{t_1}^{t_2} \int_{\Omega} \mathcal{G}(u,\nabla u) \cdot \delta u dx dt = 0$$其中，$\mathcal{G}(u,\nabla u)$是广义力，$\delta u$是速度场的变分量。
广义变分原理可以看作是变分原理的推广，它将广义力考虑进去，使得求解非牛顿流体流动问题更加准确。
三、应用变分原理和广义变分原理在非牛顿流体流动问题的研究中得到了广泛的应用。
例如，在非牛顿流体的稳定性分析中，可以通过变分原理求解流体的稳定性条件；在非牛顿流体的流动控制中，可以通过广义变分原理求解流体的控制方程。
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
非牛顿流体液滴生成和冲击动力学研究 国基金
非牛顿流体液滴生成和冲击动力学研究国基金非牛顿流体作为一种特殊的物质类型，其在液滴生成和冲击动力学方面的研究具有重要意义。
本文主要针对国家基金所关注的这一领域，详细探讨非牛顿流体液滴生成过程及其在冲击过程中的动力学行为。
一、非牛顿流体液滴生成研究1.液滴生成过程非牛顿流体液滴生成过程主要包括液滴的形成、生长和断裂三个阶段。
在形成阶段，流体在表面张力的作用下形成液滴；在生长阶段，液滴逐渐吸收周围流体，体积增大；在断裂阶段，液滴从流体源脱离，形成独立液滴。
2.影响因素非牛顿流体液滴生成过程受到多种因素的影响，主要包括：（1）流变性质：非牛顿流体的流变性质会影响液滴生成过程，如剪切稀化、剪切增稠等。
（2）表面张力：表面张力是液滴生成的重要驱动力，其大小直接影响液滴的形态和尺寸。
（3）流体流速：流体流速会影响液滴的生长速度和断裂过程。
（4）环境条件：如温度、湿度等，也会对液滴生成过程产生影响。
二、非牛顿流体液滴冲击动力学研究1.冲击过程非牛顿流体液滴冲击动力学主要研究液滴在撞击固体表面时的行为。
冲击过程包括液滴的变形、飞溅、反弹等。
2.影响因素（1）液滴性质：如液滴的粘度、表面张力等，会影响冲击过程中的液滴行为。
（2）固体表面性质：如表面粗糙度、润湿性等，会影响液滴在固体表面的铺展和反弹。
（3）冲击速度：冲击速度是影响液滴冲击动力学行为的关键因素，速度越大，液滴的变形和飞溅现象越明显。
（4）冲击角度：液滴冲击固体表面的角度也会影响冲击过程。
三、研究意义与应用前景非牛顿流体液滴生成和冲击动力学研究，对于揭示非牛顿流体在复杂环境下的行为规律，具有重要的理论意义。
此外，该研究在工业、农业、生物医学等领域具有广泛的应用前景，如涂料、农药喷洒、生物样本处理等。
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
非牛顿流体力学第二章
pn = pn ( M , t , n)
1 应力pn表示的是作用在以n为外法线方向的作用面上应力，其下标 需要特别指出，○ 2 一般来说，应力 n并不表示应力的方向，而是受力面的外法线方向，见图 2－1；○ pn的方向并不与作用面的外法线n一致，pn除了有n方向的分量pnn外，还有n方向的分 3 图中ΔA右侧的流体通过ΔA作用在左侧 量pnτ。只有当pnτ=0 时pn才与n的方向一致；○ 流体上的力为ΔP=pnΔA，而ΔA左侧的流体通过ΔA作用在右侧流体上的力为ΔP=p－ nΔA，这两个力互为作用力和反作用力，所以有
（2－14）
这三个分量恰好就是流体微团旋转角速度矢量的三个分量， 同时ω=ω1i+ω2j+ω3k也就 是速度矢量的旋度的一半，即
ω = ∇×u
对称矩阵 D 中的九个分量中只有六个独立分量，
1 2
（2－15）
Dxx =
∂u ∂u ∂u 1 ⎛ ∂u ∂v ⎞ ， Dxx = ， Dxx = ， Dxy = Dyx = ⎜ + ⎟ ∂x ∂x ∂x 2 ⎝ ∂y ∂x ⎠
§2-2
应力张量
作用在流体上的力可以分为两类，即质量力和表面力两大类。作用在连续介质 表面上的表面力通常用作用在单位面积上的表面力——应力来表示，参见图 2－1， 即
pn = lim
ΔA→ 0
ΔP ΔA
（2－1）
式中 n为表面积ΔA的外法线方向；ΔP为作用在表面积ΔA上的表面力。pn除了与空 间位置和时间有关外，还与作用面的取向有关。因此，有
上式也可以用矩阵形式表示为
⎡ ⎣ pnx pny pnz ⎤ ⎦= ⎡ ⎣ nx ny ⎡ pxx ⎢ nz ⎤ ⎦ ⎢ p yx ⎢ pzx ⎣ pxy p yy pzy pxz ⎤ ⎥ p yz ⎥ pzz ⎥ ⎦
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(NPI)是指流体在流动过程中存在着不可忽略的非牛顿力(Anisotropy)。
非牛顿型流体主要包括两大类：粘滞流体(viscoelastic， viscosity-resistant， PC)和热运动流体(thermal，flow-sensitive， HC)流体的粘滞性主要是由于其微观结构(如化学成分、晶体结构和形状等)造成的，因而具有明显的各向异性;此外，与流体相互作用的物体也对粘滞性产生影响。
随着粘滞性的增加，流体的稳定性和传热性能会迅速恶化。
NPI流体的微观结构主要有三种：凝胶(gel)、颗粒(particle)和团块(agglomerate)非牛顿型流体不满足牛顿粘性定律，即流体不存在“剪切变稀”的现象。
这种特性使得流体在流动过程中，粘滞系数不断减小。
当达到流动的最小值(steady-state)时，系统会呈现牛顿性质，并表现出流体的本征属性。
对于大多数NPI流体来说，实验测量的压力值小于其真实压力值，即上述流体的粘滞系数只是在临界条件下才能达到较大值。
NPI的研究与开发主要集中在对一些流体进行高精度的粘度测量和其它力学性能的研究方面。
NPI的应用十分广泛。
如在血液透析中采用不含颗粒的流体；在人工心脏瓣膜中采用不含凝胶的流体以减少机械损伤；采用热致型材料取代部分金属材料以提高介电性能；还有在温室种植中使用热致型塑料作为覆盖材料等。
流体在流动过程中所产生的内摩擦力与雷诺数和压力梯度有关。
非牛顿型流体的流动曲线具有非线性特征，而且实际流体并不遵循完全牛顿型流体的流动规律，因此将其纳入牛顿粘性体的范畴是不合适的。
流体在流动过程中所产生的内摩擦力与雷诺数和压力梯度有关。
当雷诺数小于临界雷诺数时，内摩擦力与雷诺数的对数呈线性关系，称之为牛顿内摩擦定律；当雷诺数大于临界雷诺数时，内摩擦力不再按线性增长，流体呈现出非牛顿特性，表现为自旋流动，这一现象被称之为旋转内摩擦效应。
非牛顿流体力学的原理
非牛顿流体力学的原理
非牛顿流体力学是研究非牛顿流体性质和行为的一门学科，它涉及到多种非牛顿流体模型和原理。
以下是一些常见的非牛顿流体力学的原理：
1. 剪切变稀：这是一种非牛顿流体的常见行为，即在受到剪切力作用时，流体的黏度会降低。
这种现象可以用剪切应力和剪切速率之间的关系来描述。
2. 剪切变稠：与剪切变稀相反，有些非牛顿流体在受到剪切力作用时，流体的黏度会增加。
这种现象可以用剪切应力和剪切速率之间的关系来描述。
3. 平衡与非平衡态：非牛顿流体可以存在两种不同的状态，即平衡态和非平衡态。
平衡态是指流体处于静止或近似静止的状态，而非平衡态是指在受到外力或变形作用下，流体发生了流动或变形。
4. 流变学模型：非牛顿流体的流变学模型是描述其流变性质的数学模型。
常见的流变学模型包括新陆铜模型、卡门模型、本地塞斯模型等，它们用来描述非牛顿流体的应变-应力关系。
5. 近程力和远程力：在非牛顿流体中，分子之间的相互作用力可以分为近程力和远程力。
近程力指的是分子之间的短程排斥力，而远程力则是指长程吸引力。
这些原理和模型都是为了更好地理解和描述非牛顿流体的性质和行为而提出的。
非牛顿流体力学的研究对于化学工程、生物学、地球科学等许多领域都有重要的应用价值。
非牛顿流体科学原理
非牛顿流体科学原理概述非牛顿流体是指在受到外部力作用时，其流动性质不符合牛顿流体的流动规律的一类流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体的粘度是一个变量，它可以随流动剪切应力的增加或减小而发生改变。
非牛顿流体在众多领域中都有广泛的应用，例如食品工业、石油工业和药物制造业等。
本文介绍了非牛顿流体的科学原理，包括其基本概念、流变学和流动性质。
基本概念牛顿流体首先，我们先了解一下牛顿流体的概念。
牛顿流体是最简单的一类流体，其粘度是常数，不随剪切应力的变化而改变。
牛顿流体的流动规律符合牛顿流体力学定律，即流体的切应力与剪切速率成正比。
例如，水和空气就是典型的牛顿流体。
非牛顿流体非牛顿流体与牛顿流体相比，其粘度是一个变数，取决于流动中的剪切应力。
非牛顿流体的流动规律不再满足牛顿流体力学定律。
根据流变学的定义，非牛顿流体可以分为剪切变稀（剪切应力增加而粘度降低）和剪切变稠（剪切应力增加而粘度增加）两种类型。
流变学流变学研究的是流体的流变性质，即流体随剪切应力的变化而产生的变形和应力关系。
对于非牛顿流体，流变学是研究其流动规律的基础。
剪切应力剪切应力是非牛顿流体流动过程中产生的应力。
在非牛顿流体中，剪切应力与变形速率之间的关系不再是线性的。
根据非牛顿流体的性质，剪切应力可以使流体发生变稀或变稠的现象。
流变曲线流变曲线是描述非牛顿流体剪切应力与剪切速率关系的图形。
通过测量不同剪切速率下的剪切应力，可以得到流变曲线。
根据流变曲线的形状，可以对非牛顿流体进行分类和分析。
流变模型流变模型是对非牛顿流体流变性质的数学描述。
根据不同的流变模型，可以预测非牛顿流体在不同剪切应力下的流动规律。
常见的流变模型包括幂律模型、卡塞格伦模型和本氏模型等。
流动性质非牛顿流体的流动性质与剪切应力有密切关系。
在不同的剪切应力下，非牛顿流体表现出不同的流动特性。
剪切稀化剪切稀化是指非牛顿流体在剪切应力增加时粘度降低的现象。
在剪切稀化流动中，非牛顿流体表现出流动性增强的特性。
非牛顿流体力学研究中的剪切稀化现象
非牛顿流体力学研究中的剪切稀化现象引言非牛顿流体是指在外力作用下，其流动行为不能被牛顿流体的粘性所描述的一类流体。
在非牛顿流体力学研究中，剪切稀化现象是一种常见现象，它指的是在切变作用下，流体的黏度降低的现象。
剪切稀化现象的研究对于理解和解释诸如高分子溶液、聚合物熔体等复杂流体的行为具有重要意义。
本文将介绍非牛顿流体力学中剪切稀化现象的基本概念、机制及其应用领域的研究进展。
基本概念在传统的牛顿流体力学中，流体的黏度是恒定的，即使在切变作用下，流体的黏度也不会发生改变。
而非牛顿流体的黏度则会随着切变作用的增加而发生变化，呈现出剪切稀化的现象。
剪切稀化是非牛顿流体的一种典型现象，它与流体分子的排列和流动特性密切相关。
剪切稀化现象可以通过流变学实验来观察和测量。
流变学是研究流体变形和流动性质的科学，通过测量流体的应力和应变关系来揭示流体的流变行为。
在剪切稀化现象的研究中，常用的流变学实验包括旋转剪切流变仪、挤压流变仪等。
剪切稀化机制剪切稀化现象的发生是由于流体分子在切变作用下的特殊排列和运动方式。
在正常情况下，流体分子是随机分布的，彼此之间没有明显的规律性。
但当外力作用下，流体分子会发生排列，形成一定的结构。
当剪切应力增大时，这些结构会破坏，导致流体的黏度降低。
剪切稀化现象可以通过以下两种机制来解释：1.动态机制：流体分子的剪切作用下，发生了动态重排，使得流体中分子之间的相互作用减弱，从而降低了流体的黏度。
这种机制适用于高分子溶液、聚合物熔体等体系。
2.结构破坏机制：流体分子的排列形成了一定的结构，当剪切应力增大时，这些结构会破坏，导致流体的黏度降低。
这种机制适用于胶体溶液等体系。
应用领域剪切稀化现象的研究在多个领域具有广泛的应用价值。
以下是一些常见的应用领域：1.石油工业：剪切稀化现象在石油开采和输送中有重要的应用。
在高温高压的地下油藏中，原油会表现出剪切稀化的特性，使得其在井口处能够流动，并顺利地被抽出地面。
流体力学中的非牛顿流体研究
流体力学中的非牛顿流体研究流体力学是研究流体静力学和流体动力学的学科。
在流体动力学的研究中，牛顿流体一直是最常见的研究对象。
牛顿流体根据牛顿黏度定律，流体的剪切应力与剪切速率成线性关系。
然而，在实际生活和工程应用中，我们经常会遇到一些不符合牛顿黏度定律的流体，即非牛顿流体。
非牛顿流体是指剪切应力和剪切速率之间不成线性关系的流体。
非牛顿流体可以分为两种类型：剪切变稀和剪切变稠。
剪切变稀指的是当剪切速率增加时，流体的黏度减小。
而剪切变稠则相反，当剪切速率增加时，流体的黏度增大。
在实际应用中，非牛顿流体的研究对于许多工程和科学领域都有重要意义。
举一个例子来说，食品工业中的一些液体食品，如酸奶和果酱，就属于非牛顿流体。
对于生产商来说，了解和控制这些流体的流动性质对于产品质量的保证至关重要。
另外，非牛顿流体在药品、化妆品以及涂料等领域也有广泛应用。
那么，为什么会有非牛顿流体的存在呢？这主要与流体的微观结构有关。
一般来说，液体是由分子组成的，分子之间存在着相互作用力，比如范德华力。
当流体受到外力作用时，分子之间的相互作用力会发生改变，从而导致流体的黏度发生变化。
在非牛顿流体的研究中，一种常见的模型是Bingham模型。
Bingham模型认为在流体开始运动之前，流体是属于固体状态的，需要克服一定的应力才能开始流动。
一旦流体开始运动，流体的黏度会逐渐减小，接近于常数。
Bingham模型可以用来解释一些特殊的非牛顿流体，如浆状物料和膏霜等。
除了Bingham模型，还有许多其他的非牛顿流体模型，如卡塞格伦模型、乳液模型和双曲正切模型等。
这些模型各自适用于不同类型的非牛顿流体，并对流体的流动性质进行了描述和预测。
在实际研究中，非牛顿流体的性质常常通过试验和数值模拟来研究。
例如，通过旋转圆柱或平板设备对流体进行剪切试验，获取流体的剪切应力-剪切速率曲线。
基于这些试验数据，可以建立数学模型，进而预测和优化流体的流动行为。
非牛顿流体的流动
非牛顿流体的研究性学习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）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。
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。
非牛顿流体流变性测定中的一种数据处理方法
非牛顿流体流变性测定中的一种数据处理方法
非牛顿流体的流变性测定是流体力学中的一个重要学科，它涉及流体的变形特性、流动特性等。
为了研究非牛顿流体的流变性，需要采用一种特定的数据处理方法。
1、收集流体参数：包括温度、压力、物性参数、流动特性等，以及受试流体的流变性测定数据，可采集器件进行实
测。
2、数据分析：分析流体参数与流变性数据之间的关系，并用拟合方法估算可能的关系方程，为非牛顿流体的流变性作出科学预测。
3、误差分析：在拟合的基础上，进一步通过计算得到的拟合误差，检查拟合结果的精度和准确性。
4、模型参数调整：根据预测结果，调整力学模型参数，使其更好地拟合实验数据，提升预测的准确率。
5、后续试验：经过上述步骤处理数据后，进行后续流变性试验，在确定的条件下进行测试，并及时监测试验结果，根据获得的数据，进行误差分析和模型参数调整，进一步验证测试条件的有效性。
以上就是非牛顿流体的流变性测定的一种数据处理方法，因此，在进行流变性测试和研究时，必须正确使用上述方法，并根据实际情况，对试验参数和测试结果进行细化，以获得更准确的流变性测试结果。
非牛顿流体行为在工程流体力学中的研究与应用
非牛顿流体行为在工程流体力学中的研究与应用非牛顿流体是指在外力作用下具有与牛顿流体不同的流变性质的一类流体。
在工程流体力学中，研究和应用非牛顿流体的行为具有重要意义。
本文将探讨非牛顿流体的定义、特性以及在工程流体力学中的研究和应用方向。
首先，非牛顿流体与牛顿流体相比具有复杂的流变特性。
牛顿流体的黏度是恒定的，即黏度与剪切速率无关。
而非牛顿流体的黏度与剪切速率呈非线性关系，即黏度随剪切速率的变化而发生变化。
根据流变学的分类，非牛顿流体可以进一步分为剪切变稀非牛顿流体和剪切变稠非牛顿流体。
剪切变稀非牛顿流体指的是在剪切应力作用下黏度降低的流体，如血液、某些乳液等；剪切变稠非牛顿流体指的是在剪切应力作用下黏度增加的流体，如混凝土浆体、陶瓷浆体等。
在工程流体力学中，非牛顿流体的研究和应用具有广泛的领域。
首先，非牛顿流体在化学工程中的应用十分重要。
许多化学过程中涉及到非牛顿流体的反应、混合和传递等过程。
通过研究非牛顿流体的流变性质，可以更好地设计和控制化学工程中的流体传输系统，提高反应效率和产品质量。
其次，非牛顿流体的研究对于食品工程学有着重要的意义。
食品中常出现各种非牛顿流体，如果酱、奶酪、面粉浆等。
研究非牛顿流体的物理性质和流变特性，可以指导食品加工中的流体运动和质量控制，改善食品的口感和质地。
同时，在地质工程、石油工程和生物医学领域，非牛顿流体的研究和应用也具有重要的价值。
例如，在油井勘探和开发中，非牛顿流体的模拟和分析可以提高油井产量和采油效率。
在生物医学领域，研究非牛顿流体可以帮助我们理解生物体内的输运过程，为药物输送和治疗方案设计提供参考。
此外，非牛顿流体的研究也在风力发电、水力发电和流体输送等领域有重要应用。
例如，在风力发电机翼表面涂层的设计中，非牛顿流体的流变特性可以改善空气动力学性能，并减小阻力。
在液体输送管道中，研究非牛顿流体的输送特性可以提高输送效率和降低能耗。
最后，非牛顿流体的研究也对材料科学和制造工程具有重要意义。
非牛顿流体在不规则管道中的流动特性研究
文章编号：2095－6835（2020）08－0024－05非牛顿流体在不规则管道中的流动特性研究＊李亚飞，周懿，胡钺，高政（船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北武汉430063；武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063）摘要：非牛顿流体被大量应用于工业生产中，如利用剪切稀化流体应用的酱类食品生产运输、高分子聚合物在工业生产中的管道运输及钻井用洗井液完井液等。
相比传统的牛顿流体，关于非牛顿流体在管道内的流动的研究还有很大发展空间，因此对其机理的研究具有重要的现实意义。
借助多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics，对非牛顿流体在不规则管道内的流动现象进行了数值模拟研究，分析了非牛顿流体在管道内的速度场分布、剪切应变速率分布以及黏度分布情况。
结果表明，在同一不规则管道中，管内流动的非牛顿Carreau流体的剪切应变速率与黏度关系符合其本构方程特性，相比牛顿流体表现出了明显较差的流动性，且速度场的分布一直保持一致；实验组非牛顿流体的剪切应变速率量级比对照组牛顿流体小很多，解释了两种流体在速度场分布的差异性；验证了Carreau流体构型中剪切应变速率与黏度的负相关关系。
关键词：非牛顿流体；管道；流动特性；幂律流体中图分类号：O373文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.08.009非牛顿流体是剪切力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。
非牛顿流体的应用十分普遍，涉及采用剪切增稠液体的装甲、食品工厂设计果酱类食品的运输加工及高分子聚合物在化工生产中的运输等诸多方面。
这类非牛顿流体在工业生产方面的应用研究，直接影响工业生产效率及国家经济，因此对非牛顿流体在管道中的流动机理具有较大的研究价值。
对非牛顿流体的研究方法包括实验法、解析解法与数值解法。
实验法直接，但成本高且实验普遍性不高。
解析解法理论上为最理想的研究方法，通过建立合适的微分方程，使用纯数学方法得出方程的精确解；但对于非牛顿流体复杂的流动情况来说，求解的难度过大。
流体力学非牛顿流体
流体力学非牛顿流体流体力学，大家可能觉得有点高大上、复杂难懂，其实说白了，就是研究流体（液体和气体）是怎么动的。
哦，对了，今天我们要说的重点可不是普通的水啊空气啊这些常见的流体，而是那些有点“性格”的流体——非牛顿流体。
它们可不是你想象中的老老实实，乖乖听话的流体，反而它们有点小脾气，甚至像个任性的孩子，时不时跟你玩“猜谜游戏”。
听起来是不是有点神秘？别急，我们慢慢道来。
非牛顿流体和牛顿流体有什么区别呢？牛顿流体就是那种流动起来很乖的流体，比如水、空气、油。
这些流体的特点就是你给它多大的力，它流动的速度就增加多少，跟力成正比。
简单点说，就是越使劲，它流得越快。
比如你想想水流，轻轻一拨它就动，往往就按常理行事，没啥出奇的地方。
可非牛顿流体可就不一样了。
它们不是你想怎么流就怎么流的，这些流体似乎总是喜欢反着来，让人猜不透。
比如说，著名的“巧克力酱”，平时看起来就像是浓浓的膏状液体，倒出来慢慢地流。
但有时候你猛搅一搅，它的流动性反而变得更强。
这种流体的特点就是，外力的大小不一定决定它的流动速度，有时候它甚至变得像“厚重的泥浆”，有时候又像水一样轻松流动。
有一个特别有趣的例子，大家有没有见过那种“噗噗”流的液体——比如牙膏？你挤一挤，它就不动；但你一用力，刷牙的时候它又乖乖出来。
这些看起来普通的东西，其实就是非牛顿流体的典型代表。
简单来说，非牛顿流体就是那种流动性根据所受的压力、剪切力等条件不断变化的流体。
再说个更酷的，很多人喜欢玩“欧姆球”，也就是那种能在水里快速漂浮的球。
你知道这背后的原理吗？哦，就是非牛顿流体起作用了。
球体的外层其实就是由一种叫做“类固体”特性的非牛顿流体包裹的。
当你用力去压它时，流体变得硬邦邦的，球体被固定住；一旦你松手，流体又恢复到液态，球体便可以自由地漂浮起来。
是不是很神奇？至于为什么这些流体会这么“捣蛋”，要从它们的分子结构说起。
非牛顿流体的分子并不是像水那样整齐地排列在一起，它们的分子结构比较“自由”，可以随时“动起来”。
流体力学-9非牛顿流体
• 开始流动后，其流变曲线的斜率随剪切速率的增大而减小；
• 呈现触变性，在一定剪切速率下，其剪切应力随外力作用 时间的延续而下降，最后达到平衡。
流变方程： (n 1)
n
0
K
d d
u y
流变曲线5
（2）反触变性流体（震凝性非牛顿流体）
• 在恒定的剪切速率下，其剪切应力随剪切时间的延续而增 大到一个最大值，静止一段时间后又下降，甚至恢复其初始 值；
塑性粘度流变曲线2直线2假塑性流体拟塑性流体在中等剪切速率范围内剪切应力与剪切速率的比值不是定值而是随剪切速率的增加曲线的斜率减小符合幂定律的关系
Chap 9 非牛顿流体
主要内容
1. 流变特性 2. 与时间无关的非牛顿流体 3. 与时间有关的非牛顿流体 4. 粘弹性非牛顿流体 5. 研究方法
1. 流变特性
与时间无关：剪切速率改变，平衡结构无滞后 地随之变化，变化是瞬时的、可逆的变化； 与时间有关：流变特性对剪切速率变化的响应 是滞后的，与剪切力作用时间长短有关，变化 过程不可逆。
流变曲线
5
3——幂函数
1——直线
4——幂函数
du
O
dy
1——牛顿流体； 2——塑性流体（宾汉流体）； 3——假塑性流体（拟塑性流体）； 4——胀塑性流体；
• 高分子溶液、悬浮液，易凝原油在低于反常点时。
流变方程：在中等剪切速率范围内，实用的表达式是幂
定律方程
n
K
du dy
流变行为指数，表明偏离牛 顿流体的程度。
假塑性流体， (n 1)
稠度系数，表明流体的粘稠
程度
流变曲线3——幂函数
（3）胀塑性流体 • 其流变特性与假塑性流体相反； • 粘度随剪切速率的增加而增大，静止时则恢复原状。 • 浓淀粉溶液、色料和某些悬浮液等。
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牛顿流体力学的研究内容
和研究方法
一.非牛顿流体力学的研究内容
1.非牛顿流体流体力学的形成
1867年.麦克斯韦提出线性粘弹性模型标志着非牛顿流体力学开始研究；
1950年.奥尔德罗伊德提出建立非牛顿流体本构方程基本原理，把线性粘弹性理论推广到非线性范围；
此后，W.诺尔、.埃里克森、.里夫林、C.特鲁斯德尔等人对非线性粘弹性理论的发展也做出贡献；
1976年K.沃尔特斯等人创办国际性专业刊物《非牛顿流体力学杂志》；
20世纪70年代后期，非牛顿流体力学、聚合物加工、流变技术等非牛顿流体力学的专着相继出版。
至此，标志着流体力学已发展成为一个独立的学科》体力学的研究内容
2.研究内容
非牛顿流体力学是流体力学的一个
重要分支，主要非牛顿的流变规律；研究内容主要包括非牛顿流体流变参数的测定方法、非牛顿流体的本构方程以及非牛顿流体在复杂流场中的流变规律等内容。
在石油工程领域，钻井液和完井液的循环过程，油井采出液在泵或井筒内的流动过程，聚合物驱油的微观机理，压裂液和驱替液的注入过程，以及油田采出液的集输和处理等工艺流程都涉及非牛顿流体流动问题，这就要求从事石油工程技术的科学工作者必须将具备非牛顿流体力学方面的只是，以便在石油工程的建设和管理中更好地发挥作用。
二、非流体力学的研究方法
1.实验方法
实验方法的步骤：
（1）运用相似理论，针对具体的研究对象确定相似准数和相似准则；（2）依据模型律来设计和制造模型，确定测量参数，选择相应仪器仪表，建立实验装置；
（3）制定实验方案并进行实验，观察流动现象，测量流动参数；
（4）运用量纲分析等方法整理和分析实验数据，与其他方法或着作所得的结果进行比较，从中总结出流动规律。
实验研究的优点：能够直接解决工
程实际中较为复杂的流动问题，能够根据观察到的流动现象，发现新问题和新的原理，所得的结果可以作为检验其他方法的正确性和准确性。
所得的结果缺点：对于不同的的流体需要进行不同的实验，实验结果的普遍性稍差。
2.解析法
解析方法主要包括：
（1）详细分析问题的物理学本质，通过适当的简化建立物理模型；（2）运用物理定律建立数学模型，通常是建立起微分方程或微分方程组，确定流动方程边界条件和初始条件；
（3）运用数学方法解出流动方程的解析解；
（4）列举计算实例，然后再与其他方法所得的结果进行比较，以检验物理模型和数学模型的合理性。
解析方法的优点是：所得的流动方程的解是精确解，可以明确地给出各个流动参数之间的函数关系。
解析方法的缺点是：数学上的困难比较大，只能对少数比较简单的流动给出解析解，所能得到的解析解的数目是非常有限的。
3.数值法
数值法的步骤
（1）数值方法要将流场按照一定的
规则离散成若干个计算点，即网格节点；
（2）将流动方程转换为关于各个节点上流动参数的代数方程；
（3）运用计算机技术求解出各个节点上的流动参数。
数值法的优点：可以求解解析方法无能无力的复杂流动。
数值法的缺点：对于复杂而又缺乏完整数学模型的流动仍然无能无力，其结果仍然需要与实验研究结果进行对比和验证。