牛顿流体与非牛顿流体
聚合物的流变学性质
§1.3
聚合物的流变学性质
2)聚合物中添加剂的影响
加入少量的添加剂，以提高其实用性能。
添加剂的种类： 着色剂 润滑剂 稀释剂 增塑剂 稳定剂 抗静电剂 填料
§1.3
聚合物的流变学性质
添加剂在聚合物中所占的比例不大——
聚合物大分子间的作用力会发生很大变化，熔 体的粘度也会随之改变。
例如，增塑剂的加入会使熔体粘度降低，从而 提高熔体的流动性。
假塑性流体种类：
①在10s-1＜ ＜ 104 s-1内，高聚物熔体； ②高聚物溶液及悬浮液。 ③混炼胶、塑炼胶；
③混炼胶、塑炼胶，剪切作用的增加使得分子链 断链，导致分子量下降，粘度降低。 假塑性流体流动曲线见图4-3。
（2）膨胀型流体
增大 ，粒子相互碰撞，
导致润滑不足，流动阻力
增加，粘度上升。 特性：随 增加ηa 增加，即“剪切增稠”。
§1.3
聚合物的流变学性质
牛顿流体： 是指当流体以切变方式流动时，其切应力与剪 切速率间存在线性关系。 牛顿流体的流变方程式为 — —切应力，Pa； — —比例常数（粘度），牛顿粘度，
反映了牛顿流体抵抗外力引起流动变形的能力，Pa s；
— —单位时间内流体产生的切应变（剪切速率） 1 ,s
§1.3
聚合物的流变学性质
注射成型中近似具有假塑性流体性质的高聚物: 聚乙烯(PE) 聚氯乙烯(PVC) 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 聚丙烯(PP) ABS 聚苯乙烯(PS) 聚酯 热塑性弹性体
§1.3
聚合物的流变学性质
假塑性液体的剪切速率与切应力及表观粘度的 关系: 图a——切应力τ与剪切速率的关系； 图b——表观粘度ηa与剪切速率的关系。 ——聚合物熔体粘度对剪切速率具有依赖性， 且剪切速率的 增大可导致熔体 粘度的降低。
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。
牛顿流体与非牛顿流体全解
（6）汤姆孙减阻效应 1948 年，汤姆(TOMS)在第1 届国际流变学会议上宣布了他 的减阻实验。将少量的聚甲基丙烯酸加入管内一氯代苯低分子 溶液的湍流中，在一定流量下，管内流动的摩擦阻力显著下降 ，这一现象称为减阻现象。由下图可以看出，当流动由层流转 变为湍流时，流线变密，流量增加，出现减阻现象。湍流减阻 可以使流量增大，对传热、传质有利。
1Pa s 1000 mPa s
3、流变方程中反映流体流变特性的参数只有一个 。对牛顿 流体来说，其流变方程只有一种形式。 4、典型的牛顿流体：水、甘油、低分子量的成品油，空气。 5、牛顿流体内部结构特点：单相流体、分散相浓度很低的假 均匀多相混合物流体。
（三）牛顿流体曲线：
剪切应力/剪切速率= tanα =恒定值， 由于牛顿流体的流动曲线是通过座标原点的直线，因此在 (即粘度 )均为恒定值。如前所述 任一剪切速率下求得的 / ，牛顿流体可通过求任意剪切速率下的剪切应力而求粘度。反 之，若已知粘度值，则可知该直线与横座标的夹角(tanα＝ )即 斜率，因此该流体的流动性就充分得到了说明。
大多数高分子溶液和乳状液具有明显的假塑性。 （3）剪切稠化流体：也称胀塑性流体，与假塑性流体相反 ，膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大，这种现象称为 剪切增稠现象。 一些浓稠悬浮体、蛋白质及某些高分子溶液可表现出切力 增稠现象。 2、时变性非牛顿流体 这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关，而且还与剪切 持续时间有关。大致可分为两类： （1）触变性和流凝性流体：随着切应力作用时间的延长， 表观粘度越来越小的流体叫做触变性流体；随着切应力作用时 间的延长，表观粘度越来越大的流体叫做流凝性流体，这种流 体在实际中非常少见。然而，在实际中我们遇到的触变性体系 较多，例如：某些粘土悬浮液、陈胶、溶胶及高聚合物可表现 出触变性。
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
非牛顿流体公式
非牛顿流体公式引言：流体力学是物理学的一个重要分支，研究液体和气体等流体的运动规律和性质。
在流体力学中，流体通常被分为牛顿流体和非牛顿流体两类。
本文将重点探讨非牛顿流体的特性和公式。
一、什么是非牛顿流体非牛顿流体是指其流动特性不能仅通过牛顿黏度来描述的流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体的黏度随剪切应力、剪切速率等因素的变化而变化。
非牛顿流体的流动行为更加复杂，常见的非牛顿流体有胶体、液晶、聚合物溶液等。
二、非牛顿流体的公式1. 幂律流体模型幂律流体模型是描述非牛顿流体黏度与剪切应力关系的一种常用模型。
其公式为：τ = K·γ^n其中，τ表示剪切应力，K是比例系数，γ表示剪切速率，n为流变指数。
幂律流体模型适用于描述剪切应力与剪切速率非线性关系的流体，如聚合物溶液等。
2. 卡门-科西流体模型卡门-科西流体模型是另一种常用的非牛顿流体模型，可以较好地描述剪切应力与剪切速率的关系。
其公式为：τ = η(γ)·γ其中，τ表示剪切应力，η(γ)表示动力黏度，γ表示剪切速率。
卡门-科西流体模型适用于描述剪切应力与剪切速率呈线性关系的流体，如胶体等。
3. 安德拉德-波伊西流体模型安德拉德-波伊西流体模型是一种复杂的非牛顿流体模型，可以描述剪切应力与剪切速率的非线性关系。
其公式为：τ = η(γ)·γ + η'(γ)·γ^2其中，τ表示剪切应力，η(γ)表示一次动力黏度，η'(γ)表示二次动力黏度，γ表示剪切速率。
安德拉德-波伊西流体模型适用于描述剪切应力与剪切速率非线性关系更为复杂的流体。
三、非牛顿流体的特性1. 剪切稀化非牛顿流体的黏度随剪切速率的增加而减小，这种现象称为剪切稀化。
剪切稀化是非牛顿流体独特的特性之一，常见于含有高分子聚合物的溶液。
2. 剪切增稠与剪切稀化相反，有些非牛顿流体的黏度随剪切速率的增加而增大，这种现象称为剪切增稠。
剪切增稠常见于胶体体系和液晶等非牛顿流体。
流体力学中的流体介质的分类
流体力学中的流体介质的分类在流体力学中，流体介质被广泛地研究和应用。
流体介质是指能够流动的物质，如液体和气体。
根据其性质和行为，流体介质可以被进一步分类。
本文将介绍流体力学中流体介质的分类。
一、按照物质的形态分类在流体力学中，流体介质可以根据物质的形态进行分类，包括液体和气体。
1. 液体介质：液体是一种具有固定体积但可变形的物质。
液体介质在受到外力作用时，会流动并填充容器的底部。
液体的颗粒间相互之间存在着相对较强的相互作用力，使得液体介质的分子排列相对紧密。
由于液体介质的分子之间相对较近且有较强的相互作用力，因此液体介质具有较大的密度和粘度。
在流体力学中，液体介质的运动通常遵循连续介质假设。
2. 气体介质：气体是一种具有无固定形状和体积的物质。
气体介质在受到外力作用时，会快速扩散并填充整个容器。
气体的颗粒间距较大，分子之间的相互作用力较弱，使得气体介质的分子排列相对稀疏。
由于气体介质的分子之间相对较远且相互作用力较弱，因此气体介质具有较小的密度和粘度。
在流体力学中，气体介质的运动通常需要考虑分子之间的碰撞和扩散等因素。
二、按照流体行为分类流体介质可以根据其流动行为的特点进行分类，包括牛顿流体和非牛顿流体。
1. 牛顿流体：牛顿流体又称为“牛顿黏性流体”，是指流动过程中具有恒定黏度的流体介质。
对于牛顿流体来说，流体的粘度不随着应力的改变而产生变化，即满足牛顿黏滞定律。
常见的牛顿流体包括水、空气等，其流动行为可以由简化的流体力学方程描述。
2. 非牛顿流体：非牛顿流体指的是其流动过程中黏度随着应力的改变而变化的流体介质。
对于非牛顿流体来说，流体的粘度取决于流动条件和应力水平。
非牛顿流体的流动行为十分复杂，常见的非牛顿流体包括血液、土壤等。
对于非牛顿流体的研究需要考虑更加复杂的流体力学模型。
三、按照流动性质分类流体介质还可以根据其流动性质进行分类，包括层流和湍流。
1. 层流：层流是指流体在管道或通道中按照整齐的、无交叉的层次流动的现象。
牛顿流与非牛顿流的区别
牛顿流与非牛顿流的区别引言牛顿流和非牛顿流是在流体力学领域中常用的两种流体运动模型。
牛顿流体遵循牛顿黏度定律，即黏度随着剪切速率的增加而保持不变；而非牛顿流体则不符合该定律。
本文将对牛顿流和非牛顿流的特点和区别进行探讨。
牛顿流的特点牛顿流体的特点如下：1. 黏度恒定：牛顿流体的黏度独立于剪切速率，对于不同的剪切速率，其流动行为始终一致。
2. 线性剪切应力-剪切速率关系：牛顿流体的剪切应力与剪切速率成正比。
3. 稳定流动性：牛顿流体在正常情况下可以保持稳定的流动状态，不会出现复杂的流动流型。
非牛顿流的特点非牛顿流体相较于牛顿流体，其特点如下：1. 非线性剪切应力-剪切速率关系：非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间存在非线性关系，即随着剪切速率的变化，黏度也会发生变化。
2. 时间依赖性：非牛顿流体的流动行为与时间有关，即流动特性会随着时间的推移而发生变化。
3. 复杂流动性：非牛顿流体在流动过程中可能出现多种不同的流动模式和流动现象，如层流、湍流和涡旋等。
区别和应用领域根据以上特点，牛顿流和非牛顿流的主要区别如下：1. 黏度特性不同：牛顿流液体的黏度保持恒定，而非牛顿流液体的黏度随剪切速率的变化而变化。
2. 流动行为不同：牛顿流体具有稳定的流动性，而非牛顿流体的流动行为可能更为复杂且时变。
3. 适用领域不同：由于非牛顿流体的特殊性质，它在一些领域中具有更广泛的应用，如食品加工、医药领域以及聚合物液体等。
在工程和科学的实际应用中，了解牛顿流和非牛顿流的区别对选择合适的流体模型至关重要。
无论是进行流体力学计算还是探索可行的加工方式，对流体的黏度和流动行为的了解都能帮助工程师和科学家做出正确的决策。
结论牛顿流和非牛顿流是流体力学中两种常见的流体运动模型。
牛顿流体的黏度恒定，流动行为稳定，而非牛顿流体的黏度随剪切速率的变化而变化，流动行为可能更为复杂且时变。
了解牛顿流和非牛顿流的区别有助于在实际应用中选择合适的流体模型，并进行正确的工程设计和科学研究。
牛顿内摩擦定律解释牛顿流体与非牛顿流体的区别
牛顿内摩擦定律解释牛顿流体与非牛顿流体的区别1、含义不同牛顿流体：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。
非牛顿流体：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。
2、粘度不同牛顿流体：剪切力/剪切率=恒定值，流体的粘度值都是恒定不变的。
非牛顿流体：剪切力/剪切率≠恒定值，即粘度是个变化量，引起其变化的常见的因素是剪切率、时间等。
牛顿流体举例：自然界中许多流体是牛顿流体。
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。
非牛顿流体举例：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。
扩展资料：非牛顿流体的特性：1、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。
射流的直径与毛细管直径之比，称为模片胀大率。
对牛顿流体，它依赖于雷诺数，其值约在0.88～1.12之间。
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。
尤其在管截面的长边中央胀得最大。
因此，如果要求生产出的产品的截面是矩形的，口模的形状就不能是矩形，而必须是四边中间都凹进去的形状。
2、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：在一只有黏弹性流体的烧杯里，旋转实验杆。
对于牛顿流体，由于离心力的作用，液面将呈凹形。
而对于黏弹性流体，却向杯中心流动，并沿杆向上爬，液面变成凸形，甚至在实验杆旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。
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。
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。
牛顿流体与非牛顿流体汇总
二、牛顿流体
（一）牛顿流体的定义
牛顿流体的定义：当液体的流动曲线为通过座标原点的一 条直线时，我们把具有这种流动性质的液体称作牛顿流体， （在一定温度下和较宽的剪切速率范围内,粘度值保持恒定的称 为牛顿流体。） 在牛顿流体中,剪切应力与剪切速率是成线性关系的,关系式为:
: 粘度或粘性系数
表1-1中流体流变特性是按照以下几个分类标准划分的。 （ 1 ）按照流体是否符合牛顿内摩擦定律，分为牛顿流体 和非牛顿流体。 流变特性符合牛顿定律的为牛顿流体，牛顿流体是一种 与时间无关的纯粘性流体。反之，不符合的为非牛顿流体， 非牛顿流体又包括各种类型，如与时间无关和有关的流体、 粘弹性流体等。 （2）按照流体是否具有弹性，分为纯粘性流体和粘弹性 流体。 真实流体都是具有粘性的，若流体同时还具有弹性，则 称之为粘弹性流体，否则为纯粘性流体。 （3）按照流变性是否与时间有关，分为与时间无关的流 体和与时间有关的流体。
四、总结
一、流体流变特性的分类
表1-1 流体流变特性分类
纯粘性流体 与时间无关流体 牛 顿 流 体 假 塑 性 流 体 胀 塑 性 流 体 宾 汉 姆 流 体 屈 服 假 塑 性 流 体 卡 森 流 体 触 变 性 流 体
粘弹性流体 与时间有关流体 反 触 变 性 流 体 多 种 类 型
非牛顿流体
粘度单位为 Pa s ，粘度数值上等于单位速度梯度下流体所受 的剪应力。
（二）牛顿流体的特点：
1、牛顿流体流变曲线为通过原点的直线。
（著名的牛顿流体内摩擦定律） 2、 其中，剪切应力 的单位为Pa，剪切速率 的单位为s-1， 比例系数 为动力粘度，单位为 Pa s（帕秒），有时对某些粘 度较小的流体， Pa s 这种单位太大，而用 mPa s （毫帕秒 ）
牛顿流体与非牛顿流体全解课件
在食品工业中，糖浆、果汁等也 是牛顿流体，它们的流变性质对 食品的口感和加工过程有重要影
响。
03
非牛顿流体的基本性质
非牛顿流体的定义
非牛顿流体
在剪切力作用下，其剪切应力与 剪切速率之间呈非线性关系的流 体。
牛顿流体
剪切应力与剪切速率成正比关系 的流体。
非牛顿流体的流动特性
01
02
03
粘度
非牛顿流体的粘度随剪切 速率的变化而变化，表现 出复杂的流动特性。
近年来，随着实验技术和数值模拟方 法的发展，人们对非牛顿流体的理解 和应用能力不断提高。例如，科学家 们通过研究生物细胞的流动行为，发 现了细胞迁移的微观机制；在材料科 学领域，非牛顿流体的性质被用来设 计新型的高分子材料和纳米材料。
未来研究方向与展望
基础理论
应用研究
尽管非牛顿流体的研究已经取得了显 著的进展，但许多非牛顿流体的基础 理论仍然缺乏。未来，需要进一步发 展新的理论和模型，以更准确地描述 非牛顿流体的性质。
02
牛顿流体的基本性质
牛顿流体的定义
牛顿流体是指流体的应力应变关系满足牛顿定律的流体。在静止状态下，牛顿流 体的剪切力与剪切变形率成正比，即τ=μγ，其中τ为剪切应力，γ为剪切变形率 ，μ为流体的动力粘度。
牛顿流体具有粘性和弹性，但粘性是主导因素。
牛顿流体的流动特性
牛顿流体的流动特性可以用流体的粘性和弹性来描述。
化工行业
非牛顿流体在化工行业中 被用于材料的加工、输送 和储存等环节。
04
牛顿流体与非牛顿流体的实
验研究
实验设计
实验目的
通过实验研究，深入理解牛顿流 体和非牛顿流体的基本特性和性 质，掌握流体力学的基本原理。
第三章 高分子流体的流变模型
粘度曲线上的Ⅰ和Ⅱ点的剪 切速率相同，但粘度不同， 这是由于Ⅱ处受应力的历史 比点Ⅰ长，凝胶破坏的程度 大，来不及恢复
3.6 震凝性流体
剪切速率不变，黏度随着时间的增加而增加，或者所需 要的剪切应力随着时间的增加而增加，反触变流体。
3.7 黏弹性流体
黏性流动中弹性行为已不能忽视的液体，例 如聚乙烯、PMMA以及聚苯乙烯的熔体等。
由于大分子的长链结构和缠结，聚合物熔体 的流动行为远比低分子液体复杂。 在广阔的剪切速率范围内，这类液体流动时： 切应力和剪切速率不再成正比关系;熔体的粘度 也不再是一个常数； 聚合物熔体的流变行为不服从牛顿流动规律。 非牛顿型流动： 不服从牛顿流动规律的流动. 非牛顿流体： 具有不服从牛顿流动规律的流动行为的液体。
1 [1 ( ) ]
1 n a a
• 对于大多数高分子液体来讲，当剪切速率达到一定值时， 大分子链发生降解， ∞可以取零。
3.3 幂律流体模型
3.3.1幂律方程
幂律方程： K n 1 K 微分后变形为： d n2 ( n 1) K d d 当n 1 ， 0，流体是牛顿流体 d d 当n 1 ， 0，流体是假塑性流体 d d 当n 1 ， 0，流体是膨胀性流体 d
屈服假塑性流体
宾汉塑性流体 剪 切 应 力
屈服胀塑性流体
剪切速率
广义宾汉流体：塑性流体；剪切变稀；剪切变稠。
时间依赖性液体
时间依赖性液体：流动时的应变和粘度不仅与剪应力
或剪切速率的大小有关，而且还与应力作用的时间有 关。 典型特征：
• 较长时间作用与较大应力作用有相同的结果；
• 应变存在滞后效应，增加应力和降低应力两个过程 的应变曲线不能重合，存在滞后环。
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受力作用下，流体的黏度随着剪切速率的改变而发生变化的流体。
相比于牛顿流体，非牛顿流体的黏度不是一个恒定的数值，而是随着流体内部的运动状态而改变的。
非牛顿流体的研究对于理解和应用流体力学具有重要的意义。
下面我们来简单了解一下非牛顿流体的基本原理。
首先，我们需要了解牛顿流体和非牛顿流体的区别。
牛顿流体的黏度是一个恒定的值，不受外力的影响，例如水和空气都属于牛顿流体。
而非牛顿流体的黏度则会随着受力情况的改变而发生变化，例如墨汁、果酱、牛奶等都属于非牛顿流体。
这种特殊的性质使得非牛顿流体在工业生产和科研领域有着广泛的应用。
其次，非牛顿流体的黏度随着剪切速率的改变而发生变化。
当外力作用在非牛顿流体上时，流体分子间的相互作用会发生改变，导致流体的黏度发生变化。
具体来说，当流体受到较小的剪切力时，流体分子之间的相互作用较强，流体呈现出较高的黏度；而当流体受到较大的剪切力时，流体分子之间的相互作用减弱，流体呈现出较低的黏度。
这种剪切速率和黏度之间的关系是非牛顿流体的一个重要特征。
此外，非牛顿流体还可以根据其流变特性进行分类。
常见的非牛顿流体包括塑性流体、假塑性流体和粘弹性流体。
塑性流体在受到较小的剪切力时表现出固体的特性，而在受到较大的剪切力时才呈现出流体的特性；假塑性流体在受到剪切力时呈现出黏度随剪切速率增加而递减的特性；粘弹性流体则同时具有液体和固体的特性，表现出延展性和弹性。
总的来说，非牛顿流体的简单原理就是在受力作用下，流体的黏度随着剪切速率的改变而发生变化。
这种特殊的流体力学特性使得非牛顿流体在食品加工、医药制备、油漆涂料等领域有着广泛的应用。
对非牛顿流体的研究不仅有助于深化我们对流体力学的理解，也为工业生产和科学研究提供了重要的理论基础。
希望通过本文的介绍，读者对非牛顿流体有了更清晰的认识，进一步了解流体力学的相关知识。
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。
关于牛顿液体和非牛顿液体的表述以及粘度测定
有关于牛顿液体和非牛顿液体的表述很多，其实严格地讲，并没有绝对的牛顿液体的存在，绝对值也是相对的，但为了在某个特定的环境和条件下能够对很多流体的把握，才导出这些概念，下面先对这些概念做个描述：液体有牛顿液体和非牛顿液体之分。
牛顿液体的粘度只和温度有关，随温度升高而降低。
非牛顿液体的粘度除了与温度有关外，还与剪切速率、时间有关，并有剪切变稀或剪切变稠的变化。
纯液体和低分子物质的溶液属于牛顿液体；而大多数液体，如高分子溶液、胶体溶液、乳剂、混悬剂、软膏以及固-液的不均匀体系的流体都是非牛顿液体。
没有数据处理功能的普通数显粘度计测得的都是某一点(在某一特定温度、时间剪切速率下)的粘度值，如果被测试样是牛顿液体，那么在恒定的温度下粘度值是不变的，某一点的数值即代表了该液体的粘度。
但是如果测量的是粘度随转速、转子、时间的不同而不同的非牛顿液体，要得到一个准确的数值就困难的多了。
普通粘度计可测牛顿液体，但对非牛顿液体就力不从心了。
因为普通粘度计在测试非牛顿液体时，粘度数据是时时变化的，很难得到一个准确的数值。
实验室测定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肃叶公式导出有关粘滞系数的表达式，求得粘滞系数。
粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。
因此，要测定粘度，必须准确地控制温度才有意义。
粘度参数的测定，对于预测产品生产过程的工艺控制、输送性以及产品在使用时的操作性，具有重要的指导价值，在印刷、医药、石油、汽车等诸多行业有着重要的意义。
1845年，英国数学家、物理学家斯托克斯(G. G. Stokes, 1819-1903)和法国的纳维(C.L.M.H. Navier)等人分别推导出粘滞流体力学中最基本的方程组，即纳维-斯托克斯方程，奠定了传统流体力学的基础。
1851年，斯托克斯推导出固体球体在粘性介质中作缓慢运动时所受的阻力的计算公式，得出在重力的作用下，阻力与流速、粘滞系数成比例，即关于阻力的斯托克斯公式。
牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体与非牛顿流体一、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。
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。
二、牛顿流体与非牛顿流体依据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，粘性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。
牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦剪应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成比例。
比例系数µ称为流体动力粘度，常简称为粘度。
它的值取决于流体的性质、温度和压力大小。
若µ为常数，则称为牛顿流体，否则为非牛顿流体。
空气、水等均为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体三、要说非牛顿流体就得先说牛顿流体，牛顿流体的精确定义涉及到流体力学的术语，我就不说了，通俗来讲，牛顿流体不管怎么搅拌都能保持”流体“的性质，几乎我们日常见到的所有液体都是牛顿流体。
而非牛顿流体只要一搅拌就会出现一个能一直维持形状的“洞”，呈现出一定“固体”的性质。
最常见的非牛顿流体就是玉米淀粉加水泡成的糊在震动下的形态（比如放在音响喇叭上),网上有很多视频。
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人们已经利用韦森堡效应，可以让赤裸的电线直接包裹上 塑料，完全淘汰了过程复杂、成本高昂的沙包线工艺。
（3）射流胀大现象： 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。如有图示：
其中
De=4~5D
（4）回弹现象
（5）无管虹吸现象
斜率，因此该流体的流动性就充分得到了说明。
三、非牛顿流体
（一）非牛顿流体的定义
非牛顿流体的定义：当一种液体的剪切应力和剪切速率之 间存在着非线性关系，粘度值随剪切应力或剪切速率的变化而 改变时，这种流体则称为非牛顿流体。
根据剪切应力与剪切速率关系的不同可将非牛顿流体区分 为若干类型，图3-1示出了几种常见类型的非牛顿流体的剪应力 与剪切速率之间的关系曲线。
（1）按照流体是否符合牛顿内摩擦定律，分为牛顿流体 和非牛顿流体。
流变特性符合牛顿定律的为牛顿流体，牛顿流体是一种 与时间无关的纯粘性流体。反之，不符合的为非牛顿流体， 非牛顿流体又包括各种类型，如与时间无关和有关的流体、 粘弹性流体等。
（2）按照流体是否具有弹性，分为纯粘性流体和粘弹性 流体。
真实流体都是具有粘性的，若流体同时还具有弹性，则 称之为粘弹性流体，否则为纯粘性流体。
: 粘度或粘性系数
粘度单位为 Pa s，粘度数值上等于单位速度梯度下流体所受
的剪应力。
（二）牛顿流体的特点：
1、牛顿流体流变曲线为通过原点的直线。
2、
（著名的牛顿流体内摩擦定律）
其中，剪切应力 的单位为Pa，剪切速率 的单位为s-1，
比例系数 为动力粘度，单位为 Pa s（帕秒），有时对某些粘
度较小的流体， Pa s 这种单位太大，而用 mPa s（毫帕秒
）
1Pa s 1000mPa s
3、流变方程中反映流体流变特性的参数只有一个 。对牛顿 流体来说，其流变方程只有一种形式。
4、典型的牛顿流体：水、甘油、低分子量的成品油，空气。 5、牛顿流体内部结构特点：单相流体、分散相浓度很低的假 均匀多相混合物流体。
（3）按照流变性是否与时间有关，分为与时间无关的流 体和与时间有关的流体。
二、牛顿流体
（一）牛顿流体的定义
牛顿流体的定义：当液体的流动曲线为通过座标原点的一 条直线时，我们把具有这种流动性质的液体称作牛顿流体， （在一定温度下和较宽的剪切速率范围内,粘度值保持恒定的称 为牛顿流体。） 在牛顿流体中,剪切应力与剪切速率是成线性关系的,关系式为:
（三）牛顿流体曲线：
剪切应力/剪切速率= tanα =恒定值， 由于牛顿流体的流动曲线是通过座标原点的直线，因此在
任一剪切速率下求得的 / (即粘度 )均为恒定值。如前所述
，牛顿流体可通过求任意剪切速率下的剪切应力而求粘度。反
之，若已知粘度值，则可知该直线与横座标的夹角(tanα＝ )即
例如：在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车水 龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。对于水工建筑、水电站建 筑中的气蚀和水锤等特殊现象，用高聚物添加剂可以减轻其破 坏作用。
（2）剪切稀化流体：也称假塑性流体，这种流体没有屈服 值，表观粘度随剪切速率增加而减小。这种粘度随剪切速率增 大而减小的现象称为剪切变稀现象。
大多数高分子溶液和乳状液具有明显的假塑性。
（3）剪切稠化流体：也称胀塑性流体，与假塑性流体相反 ，膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大，这种现象称为 剪切增稠现象。
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。对于非牛顿 流体一旦开始流动就不会停止， 即使低于管路水平面时也不会断 流。这一现象被应用于拉伸粘度 的测量。也是合成纤维具备可纺 性的基础。
（6）汤姆孙减阻效应
1948 年，汤姆(TOMS)在第1 届国际流变学会议上宣布了他 的减阻实验。将少量的聚甲基丙烯酸加入管内一氯代苯低分子 溶液的湍流中，在一定流量下，管内流动的摩擦阻力显著下降 ，这一现象称为减阻现象。由下图可以看出，当流动由层流转 变为湍流时，流线变密，流量增加，出现减阻现象。湍流减阻 可以使流量增大，对传热、传质有利。
（1）宾汉流体：又称塑性流体，它是只当剪切应力大于某 一数值时才开始流动的流体，这时体系并非全部发生形变，而 是产生滑动，中间未发生变化的部分仍按原来的结构形式一起 向前运动。当应力大于屈服值后，其流动性跟牛顿流体完全一 样。一些浓悬浮液如糊状物、软膏、面团、淤泥等，在适当条 件下可表现出这种行为。
一些浓稠悬浮体、蛋白质及某些高分子溶液可表现出切力 增稠现象。
2、时变性非牛顿流体
这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关，而且还与剪切 持续时间有关。大致可分为两类：
（1）触变性和流凝性流体：随着切应力作用时间的延长， 表观粘度越来越小的流体叫做触变性流体；随着切应力作用时 间的延长，表观粘度越来越大的流体叫做流凝性流体，这种流 体在实际中非常少见。然而，在实际中我们遇到的触变性体系 较多，例如：某些粘土悬浮液、陈胶、溶胶及高聚合物可表现 出触变性。
一、流体流变特性的分类
表1-1 流体流体
与时间有关流体
牛 假 胀 宾 屈 卡触 反
多
顿 塑 塑 汉 服 森变 触 种
流 性 性 姆 假 流性 变
类
体 流 流 流 塑 体流 性
型
体体体性
体流
流
体
体
非牛顿流体
表1-1中流体流变特性是按照以下几个分类标准划分的。
（二）非牛顿流体的分类
图3-1 流体的流变图
根据表1-1中非牛顿流体的粘度函数是否和剪切持续时间有关 ，可以把非牛顿流体分成两类：非时变性非牛顿流体和时变性 非牛顿流体。
1、非时变性非牛顿流体
这类流体的切应力仅与剪切速率有关，即粘度函数仅与应 变速率或（切应力）有关，而与时间无关。非时变性非牛顿流 体主要包括：
（2）粘弹性流体：粘弹性流体同时具有粘性液体和弹性固 体的性质，哪种性质的表现程度如何要取决于外力作用时间的 快慢长短。粘弹性流体除粘度函数与剪切持续时间有关外，在 剪切流动中还表现出法向应力差效应。
（三）非牛顿流体的流变特性
（1）剪切稀化现象：粘度随剪切变形速率增大而减小，变 形速率愈大，表观粘度愈小，流动性就愈好。