非牛顿流体的流动.
非牛顿流体的流动曲线
非牛顿流体的流动曲线
非牛顿流体是指流体在运动中，其局部流动状态与牛顿定律不相符的力学流体。
它们常常被用来模拟地球物质圈，特别是海洋和大气中的大规模流动。
非牛顿流体的运动通常有一些特殊的特征，其中最重要的是它们的流动曲线。
非牛顿流体的流动曲线是指非牛顿流体在某一特定状态下的运
动曲线。
它可以用来研究流体的性质和运动轨迹，进一步了解特定流体的性质。
非牛顿流体的流动性曲线又分为时域曲线和频率域曲线。
时域曲线描述流体的局部状态变化，表现为流体的流量、动量和能量方面的变化；频率域曲线描述的是流体的全局流动性，表现为流体的声速、粘度和换热等方面的变化。
一般来说，非牛顿流体曲线的微分方程是非线性的，只有在一些特定条件下才能用线性方程来描述。
像粘性流体、核流体和双相流体等都可以用非牛顿流体曲线来描述。
当流体是非牛顿的时候，使用非牛顿流体的流动曲线是非常有用的。
它可以帮助我们分析流体运动的特性和规律，这些特性包括流速、流量、力学特性和热特性等。
此外，非牛顿流体曲线还可以用来推测流体性质，并用来估算流体的性能和特性。
这些信息可以帮助我们解决流体与其他系统之间的相互作用问题，从而改进流体运动的性能和效率。
另外，非牛顿流体曲线还可以用来评估流体发生的湍流现象，从而更好地理解流体的行为。
因此，非牛顿流体的流动曲线是非常有用的，可以用来研究流体
的性质和运动轨迹，并用来估计流体的性能和特性，最终达到改善流体性能的目的。
此外，非牛顿流体的流动曲线也可以用来探究流体发生的湍流现象，由此可以更好地理解流体的行为规律。
流体力学中的非牛顿流体
流体力学中的非牛顿流体流体力学是研究物质在流动状态下力的作用和运动规律的学科。
在流体力学中，我们通常将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。
本文将重点介绍非牛顿流体的特性、流动行为以及其在工程和科学领域中的应用。
一、非牛顿流体的特性非牛顿流体是指其粘度随着应力或剪切速率的改变而变化的流体。
与牛顿流体相比，非牛顿流体表现出更复杂的流动行为。
根据其流变特性，非牛顿流体可以分为剪切变稀型和剪切变稠型。
剪切变稀型的非牛顿流体是指其粘度随剪切速率的增加而减小的流体。
常见的剪切变稀型非牛顿流体包括血液、糊状物和溶胶等。
这些流体在流动过程中，随着剪切力的增加，粒子之间的相互作用减弱，从而导致粘度的降低。
剪切变稀型流体的特性使其在工程领域中得到广泛应用，如石油钻井、医疗器械以及食品加工等。
剪切变稠型的非牛顿流体是指其粘度随剪切速率的增加而增加的流体。
常见的剪切变稠型非牛顿流体有浆料、高聚物溶液和胶体等。
这些流体在流动过程中，由于粒子之间的相互作用增强，导致粘度的增加。
剪切变稠型流体广泛应用于涂料、油漆和火箭发动机燃料等领域。
二、非牛顿流体的流动行为非牛顿流体的流动行为与牛顿流体有所不同。
牛顿流体遵循牛顿流体模型，其粘度独立于剪切速率，流动行为符合牛顿第二定律。
而非牛顿流体则不满足牛顿流体模型，其剪切应力和剪切速率之间的关系是非线性的。
非牛顿流体的流动行为通常由流变学进行描述。
流变学是研究物质应力-应变关系的科学，其中应力指流体内部单位面积上的力，应变指流体的变形程度。
通过流变学可以确定非牛顿流体的粘度与剪切速率之间的关系。
在非牛顿流体的流动过程中，通常存在剪切层滞后和剪切变薄等现象。
剪切层滞后是指在流动过程中，不同位置处的流体粘度不同，形成剪切层。
而剪切变薄是指在流动过程中，流体的某一部分变得更稀薄。
三、非牛顿流体的应用非牛顿流体的特性使其在工程和科学领域中得到广泛应用。
以下列举了一些常见的应用领域：1. 医学领域：血液作为一种剪切变稀型的非牛顿流体，在心血管系统中的流动行为对于疾病诊断和治疗具有重要意义。
非牛顿型流体的流动
2、机械能衡算式（柏努利方程）及其应用
2 u12 p1 u 2 p2 gz1 he gz 2 hf 2 2
3、直管摩擦损失的通用算式—Fanning 公式
6、层流与湍流的区别
7、流体静力学方程及其应用
1.7 非牛顿型流体的流动
一、非牛顿型流体的特性
du dy
du n k( ) dy
牛顿流体 非牛顿流体
〈1〉假塑性流体：速度梯度增大,粘度降低—大多数流体特征 〈2〉涨塑性流体: 速度梯度增大,粘度增大—多为浓悬浆液 流体： 〈4〉牛顿流体
〈3〉塑性流体:剪应力达临界值时,出现屈服现象—多为高固悬浆液
非牛顿流体的几个特征 1、依时性： 一些非牛顿流体的粘度与剪切力的作用时间有关。
即剪应力作用足够长的时间后，粘度才能达到定态值。—— 触变性。 涂料、圆珠笔水。
2、粘弹性： 一些非牛顿流体具有不仅具有粘性，而且具有明显的弹性。 爬杆现象；挤出胀大现象；无管虹吸现象。
本章重点与难点
1、 连续性方程：
l u 2 Δpf d 2 Δpf l u2 hf d 2 Δpf l u2 Hf g d 2g
4、局部阻力损失计算
l e u 2 Δ p f u 2 2 d 2
5、管内总阻力损失计算
l Σ le u 2 l u2 h f ( Σ ) ( ) d 2 d 2
《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。
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
课件：非牛顿流体流动
4. 粘弹性非牛顿流体
剪切应力同时依赖于剪切速率和变形程度的非牛顿流体。
• 既具有与时间有关的非牛顿流体的全部流变性质； • 又具有部分弹性恢复效应的物料的性质。 • 豆荚植物胶、田菁粉、聚丙烯酰胺等。
既具有粘性，又具有弹性，表现为：
• 自漏斗流出后，流束变粗，发生膨胀（挤出胀大现象）； • 搅拌时，停止搅动表现有弹性反转（回弹现象）； • 爬杆现象，同心套管轴向流动现象，无管虹吸现象，次级流现象等。 • 其粘度用一般粘度计无法测定。
• 高含蜡或沥青质的易凝原油、 • 钻井用的钻井液、 • 采油用的增粘液或降粘液， • 各种高分子溶液。
剪切变形规律、流动规律都与牛顿流体有别。
4
定义
流变特性：流体在温度一定及没有湍流的情况下，所承受的 剪切应力与产生的垂直于剪切面的剪切速率之间的关系，即 流体变形与外加应力之间的关系。
这种关系可用流变曲线或流变方程来表示。
• 一受外力就开始流动； • 在一定温度下，剪切应力与剪切速率的比值是常数，不随剪切速率而
变化。动力粘性系数 co，ns剪t 应力与变形速率满足线性关系。
• 气体、水、轻质成品油和高温时的原油等。
3
不满足牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体，即剪应 力与变形速率不满足线性关系。
在工业中广泛存在着非牛顿流体，如：
• 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：
0
K
du dy
n
(n 1)
流变曲线5
17
（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； • 例如，某些浓淀粉溶液、鸡蛋白。
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。
《非牛顿流体的流动》课件
地描述非牛顿流体的流动行为。
深入研究非牛顿流体的微观机制
02
通过先进的实验技术和计算机模拟，深入了解非牛顿流体的微
观结构和流变特性。
探索非牛顿流体的应用
03
发掘非牛顿流体的潜在应用价值，如生物医学、石油工业、食
品加工等领域。
非牛顿流体的发展前景
推动相关领域的发展
随着对非牛顿流体研究的深入，将推动流变学、物理、工程等领 域的进步。
屈服值
在流动曲线上，非牛顿流体从静止状态开始流动所需的最小应力。屈服值是非牛 顿流体的一个重要特性，它反映了流体抵抗外力作用的能力。
流动行为与流变模型
流动行为
描述非牛顿流体在受到外力作用时如何响应和流动。不同的非牛顿流体具有不同的流动行为，如触变性、震凝性 、假塑性和胀流性等。
流变模型
为了更好地描述非牛顿流体的流动特性，根据其流动行为和流变特性建立的数学模型。常见的流变模型包括幂律 模型、卡森模型、伯格斯模型和柯西模型等。这些模型可以用来预测非牛顿流体的流变性质和流动行为，为工程 应用提供重要的参考依据。
材料。
石油加工
非牛顿流体在石油加工过程中也 有应用，如用于制作润滑油、燃 料油和添加剂等。通过调整非牛 顿流体的性质，可以提高石油产
品的性能和质量。
04
非牛顿流体的研究方法
实验研究
实验研究是通过实际操作和观察来研究非牛顿流体的流动特性。这种方法可以提供 直接、真实的数据，有助于深入了解非牛顿流体的流动行为。
生物医学研究
非牛顿流体在生物医学研究中也有应用，如模拟生物组织 的流动行为，为研究提供更接近实际的模型。
石油工业
油田开采
非牛顿流体在石油工业中用于油 田开采，通过调整采出液体的流 变性质，可以提高油田的采收率
非牛顿流体的实验原理应用
非牛顿流体的实验原理应用1. 引言非牛顿流体是指在流动过程中其黏度随着剪切速率的变化而变化的一类流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体的粘度与剪切速率呈非线性关系，常见的非牛顿流体包括淀粉溶液、果胶、液态胶体等。
在工业生产和科学研究中，了解非牛顿流体的流动行为及其应用原理非常重要。
2. 实验原理非牛顿流体的流动特性一般通过表观黏度来描述，表观黏度是指非牛顿流体在测量时所显示的黏度。
非牛顿流体的流动特性可以通过以下几种实验原理进行分析：2.1 剪切应力-剪切速率关系对于非牛顿流体来说，剪切应力与剪切速率之间存在着复杂的关系。
实验中，可以通过施加不同的剪切速率来测量非牛顿流体的剪切应力，然后绘制剪切应力-剪切速率曲线。
根据得到的曲线可以分析非牛顿流体的流变学性质。
2.2 粘度与浓度关系对于某些非牛顿流体，其流变学性质与浓度之间存在一定的关系。
通过实验测量不同浓度条件下的非牛顿流体的黏度，可以得到粘度与浓度之间的关系。
这对于了解非牛顿流体在浓度变化时的流动行为非常重要。
2.3 温度对非牛顿流体流变学性质的影响温度是影响非牛顿流体流动性质的一个重要因素。
通过实验，可以探究温度对非牛顿流体流变学性质的影响，例如粘度随温度的变化规律。
此外，还可以通过不同温度下的实验数据，拟合得到非牛顿流体的流动活化能，从而进一步了解其流动机理。
3. 实验应用非牛顿流体的实验原理的应用非常广泛，以下是几个典型的实验应用场景：3.1 涂料行业涂料是一种典型的非牛顿流体。
通过实验测量涂料的流变学性质，可以控制涂料的粘度，从而调节涂料的流动性和涂覆性能。
这对于提高涂料的施工质量和涂覆效果非常重要。
3.2 食品工业食品工业中常用的一种非牛顿流体是果胶。
果胶在加热过程中会发生凝胶反应，通过实验测量果胶的粘度和凝胶温度，可以为食品加工工艺的控制提供理论依据。
3.3 医学领域在医学领域，非牛顿流体的实验应用主要体现在血液流变学研究中。
通过测量血液的黏度和流动性，可以了解血液在不同疾病状态下的流动行为，为疾病的诊断和治疗提供帮助。
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。
非牛顿流体的流动解析
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。
《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
非牛顿流体的流动特性研究
非牛顿流体的流动特性研究非牛顿流体是一类具有特殊流动行为的流体，其黏度不是恒定的，而是随着剪切力的大小而改变。
这些流体在许多重要的工程和科学领域中都有广泛的应用，例如生物医学、油田开发和食品加工等。
本文将对非牛顿流体的流动特性进行研究，探讨其流变学行为以及在不同应用领域的实际应用。
一、非牛顿流体的流变学行为非牛顿流体的流变学行为与牛顿流体有所不同。
牛顿流体的黏度是恒定的，无论剪切力大小如何，流体的黏性都不会改变。
而非牛顿流体根据黏度-剪切率关系可分为切变稀释型与切变增稠型两类。
1. 切变稀释型切变稀释型的非牛顿流体，其黏度随剪切率的增加而减小。
这种流体在应力作用下会发生流动，并且黏度会随着流动过程中剪切作用的加大而减小。
常见的切变稀释型非牛顿流体有血液、某些聚合物溶液等。
血液的黏度随着剪切作用减小，可以保证血液在人体内正常循环。
2. 切变增稠型切变增稠型的非牛顿流体，其黏度随剪切率的增加而增加。
这种流体在受到外力时，其黏度会随着剪切作用的加大而增加。
常见的切变增稠型非牛顿流体有某些胶体溶液和混凝土等。
某些胶体溶液，如打印墨水，其黏度随着剪切作用的增加而增加，可以防止墨水在印刷过程中的扩散。
二、非牛顿流体的实际应用非牛顿流体在工程和科学领域中有广泛的应用，下面将主要介绍其中几个方面的应用。
1. 生物医学应用非牛顿流体在生物医学领域中有着重要的应用。
例如，血液作为切变稀释型非牛顿流体，在心脑血管疾病诊断和治疗中扮演着重要的角色。
另外，人体关节内的关节液也是一种非牛顿流体，对于关节的润滑和保护具有重要作用。
2. 油田开发应用非牛顿流体在油田开发中具有广泛的应用。
例如，油井钻进液作为一种切变增稠型非牛顿流体，可以用于控制井孔稳定和冷却井壁。
另外，聚丙烯酰胺溶液也常用于油井水泥浆增稠剂，以提高水泥浆的悬浮性和稳定性。
3. 食品加工应用非牛顿流体在食品加工过程中有重要的应用。
例如，面团在搅拌过程中会变得越来越粘稠，这是因为面粉中的蛋白质在剪切作用下发生凝聚所致。
简短非牛顿流体的原理
简短非牛顿流体的原理
非牛顿流体的原理是指在外力的作用下，其流动性质会发生变化的流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体的粘度随着应力的改变而发生变化。
其原理主要有两个方面：
1. 剪切变稀原理：在剪切应力作用下，非牛顿流体的粘度会降低，流动性增强。
这是因为剪切应力破坏了流体内部的聚集结构，使得分子或颗粒之间的相互作用减弱，从而流体的流动变得更加容易。
2. 剪切变稠原理：在剪切应力达到一定程度后，非牛顿流体的粘度会增加，流动性减弱。
这是由于剪切应力增大使得流体内部的聚集结构重新形成，分子或颗粒之间的相互作用增强，从而阻碍了流体的流动。
非牛顿流体的这种特性使得它在实际应用中具有很大的灵活性和适应性。
例如，在润滑油、膏霜、墨水、泥浆等物质中常常存在非牛顿流体的特性，这些物质的流动性能能够根据实际应力条件的改变来进行调节。
流体力学中的流体中的非牛顿流体
流体力学中的流体中的非牛顿流体流体力学中的非牛顿流体非牛顿流体是指在流动过程中，其粘度随着剪切应力或剪切速率的变化而变化的流体。
相比于牛顿流体，非牛顿流体在流动性质上更加复杂，因此在流体力学的研究中具有重要的意义。
本文将对非牛顿流体的特点、分类及其在流体力学中的应用进行探讨。
一、非牛顿流体的特点非牛顿流体具有以下几个特点：1. 粘度随剪切应力变化：牛顿流体的粘度是恒定的，而非牛顿流体的粘度随着剪切应力的变化而变化。
在低剪切应力下，非牛顿流体的粘度较低，流动性较好；而在高剪切应力下，非牛顿流体的粘度较高，流动性较差。
2. 粘度随剪切速率变化：除了受剪切应力的影响外，非牛顿流体的粘度还与剪切速率有关。
通常情况下，非牛顿流体的粘度随着剪切速率的增加而降低。
3. 存在流变学行为：非牛顿流体在流动过程中可能出现流变学行为，包括剪切稀化、剪切增稠、剪切硬化等。
剪切稀化指的是流体粘度随着剪切应力的增加而减小；剪切增稠则相反，指的是流体粘度随着剪切应力的增加而增加；剪切硬化是指流体的粘度在一定范围内保持不变。
二、非牛顿流体的分类根据粘度随剪切应力变化的特点，非牛顿流体可以分为剪切变稀流体和剪切变稠流体。
1. 剪切变稀流体：剪切变稀流体是指在剪切应力作用下，流体的粘度随着剪切应力的增加而降低的流体。
常见的剪切变稀流体有溶液、乳液等。
2. 剪切变稠流体：剪切变稠流体则相反，指的是在剪切应力作用下，流体的粘度随着剪切应力的增加而增加的流体。
例如，淀粉浆料、气凝胶等都属于剪切变稠流体。
三、非牛顿流体在流体力学中的应用非牛顿流体在流体力学中有广泛的应用，涉及科学研究、工程技术等多个领域。
1. 食品工业：非牛顿流体在食品工业中具有重要的应用价值。
例如，蛋黄酱、胶体状食品等都属于非牛顿流体。
了解和掌握非牛顿流体的流动特性可以优化食品的生产过程，提高产品的质量。
2. 建筑工程：非牛顿流体在建筑工程中也有一定的应用。
例如，混凝土、石膏浆料等都是非牛顿流体。
非牛顿流体简单原理
非牛顿流体简单原理
非牛顿流体是指在流动过程中不符合牛顿流体流动定律的流体。
牛顿流体的流动速率仅取决于施加的剪切力，并且粘度（黏度）保持不变，而非牛顿流体的粘度随剪切速率的改变而变化。
非牛顿流体的流动特性可以归因于流体中存在的微观结构。
一种常见的非牛顿流体是塑性流体，如黏土或浆糊。
这类流体在低剪切速率下表现为固体般的行为，当施加的剪切力超过一定的临界值时，流体才开始流动。
在这种情况下，剪切速率越大，粘度越低，流动性越好。
另一种类型的非牛顿流体是假塑性流体，如牙膏或润滑油。
这类流体在受到剪切力时会变得更加黏稠，粘度增加，而在没有外力作用时则呈现流动性。
这是因为流体中的微观颗粒或分子会在剪切力的作用下重新排列或形成聚集结构，从而增加了流体的黏度。
还有一种非牛顿流体是剪切稀释流体，如血液或聚合物溶液。
这类流体在剪切力作用下，流动速率增大，粘度减小。
这是由于流体中分子构型的改变导致了流动的改变，从而使流体呈现出非牛顿性质。
总而言之，非牛顿流体的流动特性不仅仅取决于施加的剪切力，还取决于流体中微观结构的变化。
这些微观结构可以通过剪切力的作用而重新排列或形成，从而影响流体的流动性质。
第二章 非牛顿流体在管道中的流动
Bingham，Herschel-Bulkley：
Q r u u 2rdr
2 0 0 r0
R
第二节 非牛顿流体管流的流态判断
Flow regimes of non-Newtonian Pipe flow
一、Metzner-Reed雷诺数（广义雷诺数）
Metzenr-Reed/generalized Reynolds Number
n 1 n
对牛顿流体：
u u max r 1 R
2
3.Bingham塑性体
y R r p R 2 r 2 p 4 pl
duz y dr p
y
y y 1 pr p 1 2 u r dr r r c p p 2l p 2 pl 2
16 故，牛顿流体层流时，有 f Re 64 Re
16e 对非牛顿流体层流，定义 f Re MR
又
f
V 2 / 2
w
w 16 Re MR V 2 /8
8V （下一章证明之） 对非牛顿流体管流 w K D
'
n'
整理可得 Re MR
D n ' V 2-n '
1
Power law
或
n 4lK 3n 1 8V 8 3 n 1 Q P 4 lK n D3n1 D 4n D n n
n=1时
Q P ∝ 3 n 1 D Q P ∝ 4 D
n
n 1时，P对Q、D的依赖性减小。 物理解释：剪切稀释性
8V 32Q 4 3 3 D D w 4
流体的非牛顿流动特性和Bingham模型
流体的非牛顿流动特性和Bingham模型一、引言非牛顿流体是指在流动过程中，其流体特性不符合牛顿定律的流体。
与牛顿流体相比，非牛顿流体在表现出黏度随应力变化的特性方面存在差异。
本文将重点探讨流体的非牛顿流动特性以及Bingham模型在非牛顿流体中的应用。
二、非牛顿流体的分类1. 塑性流体塑性流体是一种具有特定的流变行为的非牛顿流体。
其在施加的应力小于屈服应力时表现为固体样式，而一旦应力超过屈服应力，则会发生塑性流动。
这种流动方式称为塑性流变。
Bingham模型是描述塑性流体行为的经典模型。
2. 剪变稀化流体剪变稀化流体是指在剪切过程中黏度随剪切速率的增加而减小的非牛顿流体。
这种流体在短时间内可以呈现高黏度，但随着剪切速率增大，它的黏度逐渐降低。
剪变稀化流体的行为可以用多种模型来描述，如幂律模型和卡西粘弹性模型。
3. 剪切增稠流体剪切增稠流体是在剪切过程中黏度随剪切速率的增加而增大的非牛顿流体。
这种流体在低剪切速率下呈现较低的黏度，但随着剪切速率增大，它的黏度逐渐增加。
剪切增稠流体的行为可以用多种模型来描述，如幂律模型和卡西粘弹性模型。
三、Bingham模型Bingham模型是一种常用的用于描述塑性流体行为的模型。
该模型假设塑性流体在施加的应力小于屈服应力时表现为固体，应力超过屈服应力后表现为流体。
Bingham模型可以用以下数学公式表示：τ = τs + μB · γ其中，τ为流体的切应力，τs为屈服应力，μB为Bingham黏度，γ为剪切速率。
四、非牛顿流体在实际中的应用非牛顿流体的特性使其在工业生产和科学研究中得到广泛应用。
1. 食品工业：非牛顿流体的特性被广泛应用于食品加工过程中，如调味酱、牛奶和果酱等产品的生产过程中。
2. 石油工业：非牛顿流体的特性在石油开采过程中具有重要作用，如油井压裂和注水方面的应用。
3. 医药工业：非牛顿流体的特性在药品制剂、乳胶和药物输送等方面有重要应用价值。
非牛顿流体的流动
du
dy
⑤
① ③④②
θ τ0 θ1
τ
图1 几种流体的流变曲线
①牛顿流体 ② 塑性流体 ③假塑性流体 ④屈服-假塑性流体 ⑤膨胀性流体
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
(2) 假塑性流体 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1中的曲线③所示。
(3) 粘弹性流体的一些奇特物理力学现象 i 韦森堡(Weissenberg)效应
当将一支快速旋转的圆棒插入牛顿流体时， 在圆棒周围会形成一个凹形液面。若将此旋转着 的圆棒插入粘弹性流体，则流体有沿着旋转圆棒 向上爬的趋向, 韦森堡于1944年在英国帝国理工学 院公开演示了这一有趣的实验，因此，这一现象 被称为韦森堡效应，俗称爬杆效应。
ⅵ 塑弹体 这种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
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
(2) 幂律方程
这是工程上应用最为广泛的一种流变模式，它适用于假
塑性流体和膨胀性流体。其形式为:
K
du dy
n
(5)
式中：K为稠度系数，取决于流体的性质，其国际单位为
Pa·sn；n为流性指数，无量纲，其值的大小表征了该流体偏
离牛顿流体的程度。对假塑性流体：n＜1；对于膨胀性流
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。
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8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
图中θ 为开始发生流动 时需要克服的切应力， 称为 极限 静 切 应 力 。 τ 0 为直 线 段 延 长 线 与 横轴 的交点处的虚拟切应力， 是为计算方便而采用的， 称为 极限 动 切 应 力 。 而 θ 1 是曲线段与直线段交 点所对应的切应力，称 为极限切应力上限值。 极限 静 切 应 力 亦 称 屈服 值(或屈服应力)。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
本构方程 是描述物质对所受力的力学响应的 方程，也称为流变方程。 描述流体剪切应力和流速梯度之间关系的方 程，称为 流体的本构方程 ，它只决定于流体本身 的性质，是研究流动问题的前提条件，对流动问 题的解具有实质性的影响。 由于影响非牛顿流体性质的因素比较复杂， 通常采用实验方法建立剪切应力与流速梯度之间 的关系曲线，称为流变曲线。
8 非牛顿流体的流动
含蜡原油、泥浆、油漆、高分子熔体和溶液、生物流 体 ( 动物关节液、血液、植物粘液等 ) 、乳浊液及悬浮液等 具有复杂内部结构的流体，其流动一般不服从牛顿内摩擦 定律，因而称为非牛顿流体。只有牛顿流体才具有一种可 以严格地称之为粘度的概念，所有非牛顿流体都需要两个 或两个以上参数来描述其粘稠特性。但为了方便起见，引 入表观粘度 ( 或称视粘度 ) η 来近似描述非牛顿流体的粘稠 特性。 ＝ (2) du dy 非牛顿流体的流动涉及国民经济的许多部门，如化工、 轻工、食品、石油、水利、建筑、冶金等等。
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
高等流体力学
8 非牛顿流体的流动
8 非牛顿流体的流动
水、空气和润滑油等是化学结构比较简单的低分子流 体，其运动遵循牛顿内摩擦定律，即剪切应力τ与流速梯 du 度 成线性关系，如下式所示： dy du ＝ (1) dy 这一类流体称为牛顿流体。上式中的 μ 是在任意给 定温度、压强条件下牛顿流体流动的特征性比例常数，此 比例常数即所谓流体粘度(动力粘性系数)。
8 非牛顿流体的流动
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
8.2 非牛顿流体的结构流 8.3 塑性流体的流动规律
8.4 幂律流体的流动规律
8.5 卡森流体在圆管中的结构流
8.6 管流研究的特性参数法
8.7 非牛顿流体流变性参数的测定
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
8.1.1 非牛顿流体的分类
非牛顿流体力学的研究对象主要是流体，它要研究的 是流体的流动与变形，因此，非牛顿流体力学就是研究流 体流变学的科学，也可称为流体流变学。
ⅵ 塑弹体 这种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 体分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体是均匀单一的流体，而非牛顿流体 一般是由液相、固相组成的混合体。 ii 按照有无粘性的特点，可将流体分成粘性 流体和理想流体。 粘性流体又可分为纯粘性流体和既具有粘性 又具有弹性的粘弹性流体两大类
du dy ⑤ ① ③ ④ ②
θ τ 0 θ1
图1 几种流体的流变曲线 ①牛顿流体 ② 塑性流体 ③假塑性流体 ④屈服-假塑性流体 ⑤膨胀性流体
τ
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
(2) 假塑性流体 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1中的曲线③所示。 有些物料很象塑性流体的特性，表现出屈服应力，但 流动起始后，剪切应力与其流速梯度之间的关系却是非线 性的，其流变曲线凸向剪切应力轴，如图 1 中的曲线 ④ 所 示。表现出这一特性的流体称为屈服-假塑性流体。 另一种不太常见的情况是曲线凹向剪切应力轴，称为 屈服- 膨胀性流体。许多泥土-水以及类似的悬浮液，尤其 是中等浓度时，属于屈服-假塑性流体。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
8.1.2 与时间无关的纯粘性非牛顿流体
(1) 塑性流体 这一类型的流体有泥浆、油漆、稀润滑脂和牙膏等。 在某种程度上，这种流体是一种极端情况或理想情况，它 需要有一定的剪切应力才开始流动，而当超过起动应力之 后，剪切应力与流速梯度呈线性关系。原因是这类流体的 结构性较强，加力后不能立即改变其牢固的网状结构，所 加的力必须足以破坏其结构性，使其产生剪切变形，流体 才会开始流动。
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
与 时 间 无 关 的
假塑性流体 膨胀性流体
宾汉流体 ( 塑性流体 )
屈服-假塑性流体 屈服-膨胀性流体
与时 间有 关的
触变性流体 震凝性流体
非 牛 顿 流 体
粘弹性 流体
多种类型
(a) 纯粘性流体在 撤除剪切应力后，它 们在受剪切应力作用 期间的任何形变都不 会回复； (b) 而粘弹性流体 在撤除剪切应力后， 它们在受剪切应力作 用期间所产生的形变 会完全或部分地得到 回复。
(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。
8.1 非牛顿流体的分类及其流变方程
i 超硬刚体 这是一种绝对刚体，也称欧几里得刚体。刚体的粘度 无限大，在任何外力下不发生形变。 ii 弹性体 在外力作用下发生形变，外力解除后，形变完全恢复。 按变形和回复时间又可分为三种： (a) 理想弹性体 : 形变和回复瞬时完成，遵守胡克定律， 即应力与应变成线性关系。 (b)非胡克弹性体: 形变和回复瞬时完成，但不遵守胡克 定律。 (c)高弹体:形变和回复都需要一定的时间(松弛时间)。