非牛顿流体
非牛顿流体原理
非牛顿流体原理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流体。
与牛顿流体不同，非牛顿流体在受力作用下，其黏度并不保持不变，而是会随着流动状态的改变而发生变化。
这种流体的特性在实际生活和工业生产中都有着重要的应用，因此对于非牛顿流体的原理和特性的研究具有重要意义。
首先，我们来介绍一下非牛顿流体的分类。
根据其流动特性，非牛顿流体可分为剪切稀化流体和剪切增稠流体两种类型。
剪切稀化流体是指在受到外力作用时，其黏度会随着剪切速率的增加而减小的流体，如淀粉浆、墨水等；而剪切增稠流体则是指在受到外力作用时，其黏度会随着剪切速率的增加而增加的流体，如果冻、牙膏等。
这两种类型的非牛顿流体在实际应用中具有不同的特点和用途。
其次，我们来探讨一下非牛顿流体的原理。
非牛顿流体的黏度变化与其内部微观结构和分子间相互作用有着密切的关系。
在剪切稀化流体中，当外力作用下，流体内部的颗粒会发生重排和分散，从而导致黏度的降低；而在剪切增稠流体中，外力作用会导致流体内部的颗粒聚集和排列，从而使得黏度增加。
这种原理使得非牛顿流体具有了特殊的流变特性，可以根据具体的应用需求来调控其流动性能。
除此之外，非牛顿流体还具有一些特殊的流动特性。
例如，在非牛顿流体的流动过程中，会出现剪切变稀、剪切变稠等现象，这种非线性的流变特性使得非牛顿流体在实际应用中具有了更广泛的用途。
同时，非牛顿流体还表现出了记忆效应和时间依赖性，这也为其在一些特殊领域的应用提供了可能。
总的来说，非牛顿流体的原理和特性对于我们深入理解流体力学和实际应用具有着重要的意义。
通过对非牛顿流体的研究，我们可以更好地利用其特殊的流变特性，开发出更加符合实际需求的流体材料和工艺。
因此，对于非牛顿流体的深入研究和应用具有着重要的意义，也将会在未来的科技发展中发挥着重要的作用。
非牛顿流体分类
非牛顿流体分类引言非牛顿流体是一类在流动过程中不遵循牛顿流体力学模型的物质。
与牛顿流体相比，非牛顿流体的粘度在剪切应力变化下会发生变化，即非线性变化。
非牛顿流体在日常生活和工业领域都有广泛应用。
本文将对非牛顿流体进行分类，介绍几种典型的非牛顿流体，并探讨其基本特性和应用领域。
非牛顿流体分类根据流变学特性和粘度变化规律，非牛顿流体可以分为以下几类：塑性流体塑性流体是一类在剪切应力超过一定临界值时才开始流动的流体。
其特点是具有一定的流动阻力，但流动起来后保持稳定流动。
常见的例子包括黏土、糊状果酱等。
塑性流体在建筑、陶瓷、油漆等领域有广泛应用，如建筑中使用的填缝剂和涂料。
压差型流体压差型流体是一类在剪切应力下产生应力反应的流体。
其粘度随着剪切应力的增加而下降，流动起来的粘度较低。
常见的压差型流体例子有胶体溶液、稀胶等。
在食品、医药、化妆品等领域，压差型流体被广泛应用于制备胶体、乳液等。
剪切变稀流体剪切变稀流体是一类在剪切应力下粘度随剪切速率减小的流体。
其流动性随着剪切速率的增加而增强。
著名的剪切变稀流体是液态凝胶。
液态凝胶在医药、冶金、化妆品等领域有重要应用，例如制备药物控释体、金属陶瓷等。
剪切变稠流体剪切变稠流体是一类在剪切应力下粘度随剪切速率增大的流体。
其流动性随着剪切速率的增加而减小。
常见的例子有颗粒悬浮液、糨糊、混凝土等。
在建筑、化工等领域，剪切变稠流体被广泛应用于制备混凝土、陶瓷、纸浆等。
粘弹性流体粘弹性流体是一类同时具有粘性和弹性特性的流体。
在微小剪切应力作用下，粘弹性流体表现出弹性固体的特性；在较大剪切应力作用下，则表现出流体的特性。
常见的粘弹性流体有胶体溶液中的聚合物溶液、高分子液体等。
粘弹性流体在油墨、涂料、聚合物复合材料等领域被广泛应用。
应用领域非牛顿流体在众多领域有着广泛的应用。
以下为几个典型应用领域的介绍：1.石油工业：非牛顿流体在地质储层模拟、油井压裂等方面发挥着重要作用。
通过对非牛顿流体的研究和应用，可以提高石油开采的效率和产量。
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
非牛顿流体非牛顿流体，又称假流体，是指在外力作用下其黏度随应力变化的物质。
相比牛顿流体，非牛顿流体在不同应力下表现出不同的流动行为，从而引发了许多有趣的研究和应用。
非牛顿流体的研究起源于物理学家艾萨克·牛顿对流体力学的研究中发现的其黏度不随剪切速率变化的物质，即牛顿流体。
然而，在实际应用中，许多流体并不符合牛顿流体的特性。
有些流体在剪切力作用下表现出凝固行为，这被称为剪切稀化；而另一些流体则表现出溶解行为，称为剪切稠化。
剪切稀化是指在外力作用下，一些非牛顿流体的黏度随着剪切速率的增加而减小。
这种流体的黏度随着外力的增加而发生变化，具有了一种可逆性。
这种流体的一个典型例子是玉米浆。
当玉米浆处于静止状态时，其黏度较高，表现出稠糊状；而当玉米浆受到剪切力作用时，其黏度会大幅度减小，变得更加流动。
剪切稠化则是指在外力作用下，一些非牛顿流体的黏度随剪切速率的增加而增加。
与剪切稀化相反，这种流体的黏度随着外力的增加而变得更加粘稠。
一个典型的例子是底漆涂料。
底漆涂料在施加较低的剪切力之前，呈现出较低的黏度，但随着施加的剪切力增加，其黏度会显著增加，变得更加粘稠。
非牛顿流体的研究对许多领域都有重要的应用价值。
例如在食品工业中，非牛顿流体的研究可用于改善食品的质感和口感。
通过调整非牛顿流体的黏度，可以改变食品的口感和浓稠度，从而提升食品的美观和口味。
此外，在油漆和涂料工业中，非牛顿流体的研究也具有重要的应用价值。
通过理解非牛顿流体的流动行为，可以控制油漆和涂料的黏度，从而提高涂层的质量和稳定性。
此外，非牛顿流体还可以应用于石油工业，例如在油井钻探和输送过程中，非牛顿流体可以提供更好的润滑和减少摩擦。
非牛顿流体的研究也为医学和生物学领域提供了许多有益的应用。
例如，在血液流变学中，非牛顿流体的研究可以帮助科学家更好地了解血液在血管中的流动行为，从而为心血管疾病的诊断和治疗提供依据。
此外，非牛顿流体的研究还可以应用于药物传输和药剂学中，以帮助科学家更好地设计给药系统，提高药物的传递效率和疗效。
非牛顿流体
非牛顿流体1. 引言非牛顿流体是指在流动过程中其流变性质会随剪切应力的变化而改变的流体。
与牛顿流体不同的是，非牛顿流体的黏度不是一个固定的常数，而是一个与剪切速率相关的函数。
非牛顿流体广泛存在于日常生活和工业生产中，如牛奶、酸奶、液态口红等。
本文将介绍非牛顿流体的基本概念和分类，以及其在科学研究和工业应用中的重要性和应用。
2. 非牛顿流体的基本概念和分类2.1 基本概念非牛顿流体具有以下几个基本特征：•剪切变应力与剪切速率不成正比关系；•流动过程中粘度随剪切速率的变化而改变；•可存在较大的弹性变形。
2.2 分类根据流变特性的不同，非牛顿流体可以分为多种类型，下面介绍其中几种常见的类型：2.2.1 粘弹性流体粘弹性流体具有既具有液体的粘性特性，又具有固体的弹性特性。
在低剪切速率下表现为固体，而在高剪切速率下则表现为液体。
常见的粘弹性流体有琼脂、凝胶等。
2.2.2 塑性流体塑性流体在低应力下表现为固体，只有在超过一定应力阈值后才能发生流动。
常见的塑性流体有泥浆、黏土等。
2.2.3 剪切稀释流体剪切稀释流体的黏度会随剪切速率的增加而降低。
当剪切速率较低时，流体黏度较高，表现为固体；当剪切速率较高时，流体黏度较低，表现为液体。
常见的剪切稀释流体有牛奶、酸奶等。
2.2.4 剪切增稠流体剪切增稠流体的黏度会随剪切速率的增加而增加。
当剪切速率较低时，流体黏度较低，表现为液体；当剪切速率较高时，流体黏度较高，表现为固体。
常见的剪切增稠流体有淀粉水溶液等。
3. 非牛顿流体的重要性和应用非牛顿流体在科学研究和工业应用中具有广泛的重要性和应用价值。
以下列举了其中几个方面的应用：3.1 食品工业非牛顿流体在食品工业中有着重要的应用。
例如，牛奶和酸奶属于剪切稀释流体，其黏度会随剪切速率的增加而降低。
这就是为什么在搅拌或喝牛奶时会感觉液体更容易流动，而在静止时则更像是固体的原因。
3.2 石油工业在石油工业中，非牛顿流体的应用也非常广泛。
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。
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。
非牛顿流体简介
非牛顿流体简介
非牛顿流体是一类具有特殊性质的物质，其粘度（流动性）不是恒定的，而是随着施加在物质上的应力或应变率的变化而变化。
与牛顿流体不同，牛顿流体的粘度在给定的温度和压力下是恒定的，例如水和空气。
非牛顿流体的行为无法用牛顿的粘度定律来描述，通常表现出更复杂的特性。
非牛顿流体可进一步分为以下几种类型：
1. 剪切稀化流体（或称拟塑性流体）：这类流体的粘度随着剪切应力的增加而降低。
典型例子包括油漆和墨水，这使得它们在涂抹时更容易流动。
2. 剪切增稠流体（或称稠化流体）：相对于剪切稀化流体，这类流体在施加剪切力时其粘度增加。
生活中的例子包括玉米淀粉和水的混合物，当快速搅拌这种混合物时，它会表现出像固体一样的性质。
3. 触变性流体：这类流体的粘度随时间变化，但这种变化是在特定的应力或剪切力作用下发生的。
一些油泥和胶体就属于这种类型，它们在搅拌后的一段时间内变得更加流动。
4. 视变性流体：这类流体在受到震动或振动时，其粘度会发生变化。
一些高分子溶液就属于这种类型。
非牛顿流体的这些特性使其在许多工业和科学应用中非常有用，从食品加工到高科技材料，再到医疗设备和消防领域都有应用。
研究这些材料的流变学特性有助于我们设计更出色的产品和工艺，以满足特定的应用需求。
什么是非牛顿流体？
什么是⾮⽜顿流体？⾮⽜顿流体⽜顿于1687年提出，⽔在作⼀维剪切流动时，其剪应⼒与剪应变率成正⽐关系。
后来发现，只有⽔和空⽓等流体才满⾜这种剪应⼒与剪应变率的线性关系，它们也因此被称为⽜顿流体。
⽣活和⽣产中的⼤多数流体属于⾮⽜顿流体，它们在作⼀维剪切流动时，其剪应⼒与剪应变率之间呈⾮线性关系。
⾎液、果浆、蛋清、奶油等这些⾮常黏稠的液体都是⾮⽜顿流体；⽛膏、⽯油、泥浆、油漆、各种聚合物(聚⼄烯、尼龙、涤纶、橡胶溶液等)也都是⾮⽜顿流体。
通常，这些物质也称为软物质。
射流胀⼤效应当⽔从⾃来⽔管中流出时，⽔流的直径与管⼦的直径基本相当。
如果⾮⽜顿流体被迫从⼀个⼤容器流进⼀根细管⼦，再从这根细管流出(挤出)时，射流束的直径就会⽐细管⼤得多，两者之⽐甚⾄会超过10，这种现象叫做射流胀⼤效应。
射流胀⼤效应对于聚合物⽣产具有很重要的意义。
当塑料熔液(⼀种⾮⽜顿流体)从⼀个矩形截⾯的管⼝流出时，由于胀⼤效应，矩形管⼝长边处的塑料熔液的胀⼤⽐短边处更加显著，⽽在矩形管⼝长边的中央胀得最⼤，结果从矩形管⼝挤出的塑料产品变成了椭圆形。
因此，如果要求塑料产品是矩形截⾯，就必须把挤出管的管⼝做成向内凹的双曲型，这样，经过胀⼤最终才能形成矩形截⾯的产品。
射流胀⼤效应在⽇常⽣活中随处可见，挤⽛膏就是⼀例。
爬杆效应⾮⽜顿流体的黏弹性使得它在旋转时也表现出与⼀般⽜顿流体不同之处。
在⼀有黏弹性流体(⾮⽜顿流体的⼀种)的烧杯⾥，旋转实验杆，黏弹性流体会向杯中⼼运动，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，这⼀现象叫爬杆效应。
⼤饭店做点⼼时，要⽤搅拌机和⾯粉。
中间那根搅拌杆四周的湿⾯粉(也是⼀种⾮⽜顿流体)也会聚集在杆的周围，产⽣爬杆效应。
化⼯⽣产中常要将两种或多种⾮⽜顿流体混合，因此，在设计混合器时，必须考虑爬杆效应的影响。
此外，在设计⾮⽜顿流体的输运泵时，也应考虑和利⽤这⼀效应。
流变体在常温常压下，物质从液体变成固体⼀般通过冷却完成，这个过程⼀般需要较长的时间，很难想象在⼏秒甚⾄更短的时间内将⼀杯⽔变成冰，⼜将它迅速地从冰变成⽔。
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。
非牛顿流体
湍流减阻可以使流量增大,对传热,传质有利. 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.
未添加聚乙烯氧化物的情形
添加聚乙烯氧化物后的情形
如上图,同样动力下两幅消防水龙头喷水图 ,显然, 加入聚乙烯氧化物后水柱变高,速度能头增大了. 下图是添加减阻剂后水泵的节能量.
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.
简介:用来测量具有牛顿行为的材 料的动态粘度,例如"玻璃类,矿 渣(炉渣,火山岩等),铸造模具 的粉末. 由于这些材料的粘度变化范 围跨越几十个数量级(1到 1014.5 dPa s),只有使用不同的测量方法 才有可能标明整个范围.有三种不 同温度范围的粘度计.通过线性化 和依照最小均方根误差法的回归分 析,可以确定跨越1 ～1014.5 dPa s 范围的总曲线以及Vogel-FulcherTammann常数.
射流胀大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 短边处的胀大更显著,且在长边中央胀得最大(如图1 虚线所示).如果要求产品的截面是矩形,口模的形状 就不能是矩形,而是像图2 实线所示的那种形状.
5.回弹现象
6.无管虹吸现象 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. 那对于非牛顿流体又 是怎么样的呢?
The End
�
τ = γ
Hale Waihona Puke 1.1非时变性非牛顿流体 这类流体的切应力仅与剪切变形速度有关,即粘 度函数(式(2))仅与应变速率有关,而与时间无关. a = γ (2) 其中 a 为表观粘度或称粘度函数.
什么是非牛顿流体
什么就是非牛顿流体1 非牛顿流体的定义自然界最常见的流体以空气与水为代表,通常被认为就是牛顿流体,熊老师在上课时讲过,它们的主要特征就是切应力与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。
但就是,还有不少材料既不就是虎克固体,也不就是牛顿流体。
这些材料同时具有固体与流体的性质,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,己不再就是“血粘度检查”,而就是“血液流变学捡查”(简称血流变),产生这样的变化就就是因为血液不就是牛顿流体,恒定不变的“粘度”不就是它的一种属性。
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。
实验就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,分别就是U与0,两平板间的速度呈线性分布,斜率就是粘度系数。
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,作了应力张量就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,对于描述像水与空气这样低分子量的简单流体就是适合的,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。
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。
非牛顿流体
目录
1 定义 2 特性 3 分类 4 应用
一、定义
牛顿粘滞定律：F=μA(du/dy)
F：粘滞力 μ：粘滞系数 A：接触面积 du/dy：速度变化梯度
非牛顿流体，是指不满足牛顿粘滞定律的流体
二、特性
1. 巴拉斯效应 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，称为挤出物 胀大比。对牛顿流体，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
触变性流体 震凝性流体 黏弹性流体
剪切力：作用于同一物ห้องสมุดไป่ตู้上的两个距离很近（但不为零）， 大小相等，方向相反（但不共线）的平行力
剪切应力：单位面积上所承受的剪力
四、应用
1. 流体减阻方面，在流体输送过程中添加 一些高分子化合物（＞106）作为减阻剂 来降低管输阻力提高输送效率（提高消防 车水龙头扬程、原油输送）
4. 湍流减阻效应 在高速的管道湍流
中，若加入少许高分子 物质，如聚氧化乙烯 (PEOX)、聚丙烯酞胺( PAAM )等，则管道阻力 将大为减少，又称Toms 效应。
三、分类
非时变性非牛顿流体
（与剪切持续时间无关）
宾厄姆流体 非线性宾厄姆流体 假塑性流体 胀流性流体
时变性非牛顿流体
（与剪切持续时间有关）
2. 印花技术方面，增稠剂的高黏度和 高触变性可以保证活动轮廓清晰、线 条光洁的印花图案
3. 非牛顿流体作为阻尼介质，普遍应用于 阻尼与制动装置中
磁流变阻尼器在建筑抗震、舰 载机拦截系统和电器减噪等方 面均有应用
磁流变制动器用于控制电动机 的转速，通过控制制动器可以 使电机的转速在200~1600r/min 之间连续变化且功率只有85W
非牛顿流体
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。
非牛顿流体详细教程
非牛顿流体详细教程
非牛顿流体是指其流动受应力作用而变形的流体。
相比牛顿流体，它们具有非线性流变特性，即其粘度随着剪切速率或剪切应力的变化而改变。
非牛顿流体可以分为可塑性流体和假塑性流体两种类型。
可塑性流体的特点是在低剪切速率下表现为固体，但在高剪切速率下表现为液体。
这种流体的粘度随着剪切速率的增加而减小。
常见的可塑性流体有黏土、泥浆等。
假塑性流体的特点是在低剪切速率下表现为液体，但在高剪切速率下表现为固体。
这种流体的粘度随着剪切速率的增加而增加。
常见的假塑性流体有淀粉浆、聚合物溶液等。
非牛顿流体的流变特性可以通过流变仪进行测试。
流变仪是一种专门用于测定流体粘度及变形特性的仪器。
通过在流变仪中施加不同的剪切应力或剪切速率，可以获得非牛顿流体的流变曲线。
常见的流变曲线有剪切应力-剪切速率曲线和粘度-剪切速率曲线。
在工程与科学中，非牛顿流体的应用广泛。
例如在化工工艺中，非牛顿流体的粘度特性对流体的输送、混合和反应过程有重要影响。
在医学领域，非牛顿流体的研究对于了解血液的流动特性和疾病的治疗具有重要意义。
此外，非牛顿流体的研究还在食品加工、油田勘探等领域发挥着重要作用。
总结来说，非牛顿流体是一类具有非线性流变特性的流体。
通过流变仪可以测试其流变特性，对于工程与科学领域具有广泛的应用价值。
以上是对非牛顿流体的简要介绍。
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。
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Introduction
• 考虑了之前常被忽略的因素： 速度分布 加热和冷却在杀菌中的贡献 和环境空气的热交换 产品温度的非均匀分布 传质、传热过程中有效扩散参数
• 本研究的目的不是为了建立流体力学模型（需要复杂的有 限元去划分材料设备），而是通过全局平衡，使模型的复 杂度降低而容易使用，解决模型问题所需时间减少，保证 其在优化过程中的可行性。
Results & Discusssion
温度以及浓分布度
Results & Discusssion
模型假设的影响
Results &Conclusion
• 我们建立了在管系统中的非理想层流的非牛顿流体食物的 连续热加工过程的数学模型模拟，并用刺果番茄汁进行检 验，它是假塑性流体，加热主要是对酵母以及霉菌的破坏。 我们得到的结果是一致的，我们进行了一系列的模拟去研 究模型中假设的影响。 • 我们观察到: • （a）加热、冷却部分对于过程致死力有贡献； • （b）保温管的进口温度需要升高以补偿和周围环境的热 交换，从而导致致死力的上升； • （c）热量以及质量的有效扩散系数被用来表征非理想层 流，这对于温度分布以及过程的致死力有显著影响。
Mathematical Model
无量纲的轴向区域（ η =z/L） 0-1（加热部分） 1-2（保温部分） 2-3（冷却部分） 无量纲径向结构域（x=r/Ri） 0（管中心） 1（内管的内壁）
Mathematical Model
传质方程
Mathematical Model
传热方程
Mathematical Model
Conclusion
• 为了达到SA=5.74的杀菌效果，最大流速下的经典的保温方 法需要19m长的保温管，然而我们推荐的模型预测达到相 同的杀菌效果只需要5m长的保温管。 模型要求：大量的过程参数，可以解方程的数学处理器。 优点：灵活性，可以通过很短的计算时间，表征热处理过 程中的不同阶段，从而满足设备设计以及处理过程的优化 的要求。 展望：进一步工作会是通过完全仪器单元以及参数评估程 序对模型进行更全面的确认，可以预料到这个全面的数学 模型可以促进食品工业生产出满足消费者要求的高品质的 加工产品。
Modeling of continuous thermal processing of a non-Newtonian liquid food under diffusive laminar flow in a tubular system 非牛顿流体在管式扩散层流系统中的连续加热模 型
Introduction
感谢聆听， 敬请指正！
食硕1306班 6130112082 武旭
个人见解
建立全面的模型，充分考虑各方面的影响，在保障安全性 的条件下，最大程度降低食品的加热程度，从而使风味、 营养得到较好的保留，符合市场需求。 因为文章中考虑的因素很多，所以需要的基本参数多，参 数的确定过程比较繁琐。在今后的应用过程中可以考虑建 立相关的数据库。 文章没有考虑加热、冷却速率对于致死力的影响。
Introduction
• 如今，消费者更注重食品的感官以及营养品质。因而，食 品行业也在对热加工条件以及设备进行重新审视。 • 已有对热量传递、停留时间分布、流体流动和流变性质的 研究,模型和仿真工具也已被用于来评价和优化食品连续热 加工过程。 • 该模型包括： 传热方程 传质方程 杀菌效果评价 速度分布
Mathematical Model
• 模型中扩散散参数是Def，A（食品中组分A的有效径向扩 散），Kef，p（食品的有效径向热传递），Kef，m是对于 加热以及冷却流体（流体的有效径向热传递）。 方程37---食品中组分A的径向扩散Pelect常数 方程38--食品径向热扩散Pelect常数 方程39--加热和冷却介质的径向热扩散Pelect常数
• 对流体食品的热加工常采用连续式设备，与间歇式设备相 比，可以提高生产效率，降低能耗、提高感官以及营养品 质。 低粘度，如牛奶和果汁，常用板式热交换器 高粘性或颗粒液体，如果泥、纸浆、调味汁、浓缩果汁， 需要在管状系统中处理。 • 在层流状态中，存在速度梯度，因而有明显的停留时间分 布。 • 通常的简化方法是考虑保温管中最大流速（最小停留时间） 下的热处理效果。因而，得到的产品虽然是安全的，但是 过度加工造成感官以及营养品质的下降，消费者难以接受。
成分A的破坏动力学参数是Tref，Dref，Za。 加热介质（hm）、冷却介质（hm）、周围空气（ha）的对 流系数可以通过经验公式得出。 还需要食品产品（Wp，CA0，Tp0），加热介质（Wm，Tm0）， 冷却介质（Wm，Tm0），周围空气(Ta)。
下面的两个方程分别是食品产品，加热/冷却介质的扩散 速率。
Mathematical Model
• 对于理想状态：Def，A=0，Kef，p=kp，Kef，m=km ，可以通过 在设备中的停留时间的分布或是温度分布等试验数据，得 到有效扩散参数。 • 为了检验已建立的模型，我们进行了模拟案例以及假设的 灵敏度测试。用有限差分数值方法进行轴向、径向分布变 量的离散化。最佳离散点的确定，需考虑计算时间以及变 量SA（Ƞ=3）对数值点的依赖性。这个变量在数值方法中 有最大的灵敏度。
• 软件 gPROMS 3.2 (Process System Enterprise)被用于本案例 的模型以及模拟过程。
Results & Discusssion
模型假设的影响
Results & Discusssion
Study Case • 刺果番荔枝果汁加工（糖度18°Brix，PH＜4，主要考虑霉 菌、酵母） • 使用小型设备 建立在数值测试的基础上，我们决定在每一部分选用400 个轴向以及30个径向点来离散变量。计算机模拟时间为 2.6min。
传热方程
Mathematical Model
传热方程
Mathematical Model
速度分布
杀菌效果评价
Mathematical Model
• 除去已列方程，解决模型问题，还需以下信息 设备的尺寸 食品的平均热物理特性 加热/冷却介质 内管 外管 保温层
Mathematical Model