流体力学第6章 非牛顿流体
非牛顿流体定义
非牛顿流体指的是流动性质不符合牛顿流体力学规律的物质。
牛顿流体是指在不同应力下流动行为始终保持稳定的物质，其流动性质由牛顿流体模型描述，即剪切应力与应变速率成正比。
而非牛顿流体在不同应力条件下的流动性质会发生变化，不满足牛顿流体模型。
非牛顿流体可以分为多种类型，其中一些常见的类型包括：
1.塑性流体：塑性流体在低应力下表现为固体，需要达到一定应力（称为屈服应力）才能开始流动，如半固体状的泥浆和黏土等。
2.剪切稀化流体：剪切稀化流体在受到剪切应力时，黏度会下降而变得更容易流动，常见于某些悬浮物质和凝胶。
3.剪切增稠流体：剪切增稠流体在受到剪切应力时，黏度会增加而变得更粘稠，如某些淀粉溶液和涂料。
4.塑性颗粒流体：塑性颗粒流体指含有颗粒或颗粒聚集体的流体，其流变行为受到颗粒间相互作用的影响，如浆料和悬浊液等。
非牛顿流体的研究在许多领域具有重要意义，例如化工、食品工程、医学等。
了解和掌握非牛顿流体的特性对于相关工艺和应用的设计和优化非常重要。
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。
非牛顿流体)
一、什么是非牛顿流体
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。
形形色色的非牛顿流体
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。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。 近几十年来，促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一，是聚合 物工业的发展。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。 非牛顿流体在食品工业中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果 浆、菜汤、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。
湍流减阻：在同样动力下两幅消防水龙头喷水图 上图为未添加聚乙烯氧化物的情形 下图为添加聚乙烯氧化物后的情形
非牛顿流体除具有以上几种有趣的性质外， 还有其他一些受到人们重视的奇妙特性，如 拔丝性（能拉伸成极细的细丝），剪切变稀， 连滴效应（其自由射流形成的小滴之间有液 流小杆相连），液流反弹等。
三、非牛顿流体的制作
无管缸吸：对于化纤生产有重要意义
（四）湍流减阻
非牛顿流体显示出的另一奇妙性质，是湍流减 阻。人们观察到，如果在牛顿流体中加入少量聚 合物，则在给定的速率下，可以看到显著的压差 降。湍流一直是困扰理论物理和流体力学界未解 决的难题。然而在牛顿流体中加入少量高聚物添 加剂，却出现了减阻效应。
《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。
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。
6非牛顿流体
8
8
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
2、拟塑性流体（假塑性流体）
高分子溶液、乳化液等，结构性较若，受到力后就立 即流动且不具有极限静切力，与塑性流体流动初期情况有 点相似，即其表观粘度随切应力增大而降低（越搅动越稀 薄），称为拟塑性流体。
其流变方程以幂定律形式表示：
k(du)n
dy
稠度系数
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
)
8v
d环当＝4R＝D d
Re环 2000 结构流 Re环 2000 紊流
27
27
工程流体力学
2、塑性流体的水头损失
hL hf hj
六、非牛顿流体的流动
28
28
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
7
7
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
• 如图示：表观粘度 随速
度梯度的增大而减小。
• 而塑性粘度 和动切应力 0
相对为常数。故该两参数为 反映塑性流体流变性能的重 要参数，即特性参数。
• 和 0 可用毛细管粘
度计和旋转粘度计测定。
0 1
0
dy du
du
3）当n>1时，为膨胀性流体。
六、非牛顿流体的流动
k(du)n
dy
10
10
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
拟塑性流体的特点：
受力后立即流动，流变曲线经原点，因 其结构性较弱，随着剪切速度的增加，网 状结构被破坏，质点的相互位置得到调整， 并顺着流动方向定向，导致施加于流体的 切应力相互减少，从而使流变曲线凹向切 应力轴，粘度下降，愈拌愈稀，这种特性 称为剪切稀释性。
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。
非牛顿流体.ppt
系数)。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。
1.2 非牛顿流体之定义
虽然水和空气等大多数流体是牛顿流体，但也有很多流 体不满足牛顿内摩擦定律，或者说，应力和应变速度之间 存在着非线性关系，即为非牛顿流体。
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
1.2 非牛顿流体应用领域及实例
非牛顿流体流体极为普遍，如建筑材料中的沥青、水泥 浆；下水道中的污泥；食品工业中的奶油、蜂蜜和蛋白； 大多数油类和润滑脂；高聚物熔体和溶液以及人体中的血 液等都是非牛顿流体。所以非牛顿流体力学的理论，在许 多工业生产和应用科学领域中都有应用，如化工、轻工、 食品、石油、水利、建筑、冶金等等，它也涉及许多材料 制品的性质，加工和输送。非牛顿流体力学的研究对这些 工业的发展具有重大的现实意义。
p
2
u y y
zx
xz
( uz
x
ux z
)
pzz
p
2
uz z
应力与应变速度的关系式，反映了材料的力学性质，是由材
料本身的结构决定的。上式为不可压缩牛顿流体的本构方程，
非牛顿流体与牛顿流体相比，其粘度不是常数，是时变性速
度的函数，有时还是形变时间的函数，同时存在法向应力差。
般认为流动过程中体积不变，密度为常数。
说明：如果从原子与分子的规模来看，连续介质和均质性假 定不符合实际。但工程问题中所研究的是宏观力学性质，其 尺度和规模远比原子和分子的尺度和规模要大，因次这种假 定是完全许可的。
非牛顿流体
+
y
·
y =0，n＞1， - y =a n ，塑性膨胀体，表观粘度 =a n -1 + y a ·
·
14
非牛顿流体
表观粘度、塑性粘度及微分粘度的物理意义
曲线上的点与原点的连线与轴夹角的正切，即 a = tan a=
·
曲线上的点与轴上的点连线与轴夹角的正切，即 B = tan = 曲线上的点切线与轴夹角的正切， 即 d = tan =
粘度环
其主体是一个杯子，杯子底部中央有一个小圆孔或小段短管，测量杯中试液流完或流出一定体积所需时 间
10
汇报提纲
粘度的简介
流体的粘度
粘度与温度、压力的关系
粘度的测量方法
毛细管法
旋转法 其他粘度测量方法
非牛顿流体
11
非牛顿流体
牛顿流体：具有粘度与剪切速率无关的流动特性的流体。流动曲线是一条通
过原点的直线，斜率就是粘度。（所有气体、纯液体和小分子量的溶液都属 于牛顿溶液）
非牛顿流体：具有粘度随剪切速率变化的流动特性的流体，即不服从牛顿定 律。流动曲线不通过原点或不是直线
非牛顿流体的粘度用表观粘度来描述。表观粘度是剪切应力被剪切速率除得 的与剪切速率相依的商
（ = a ）
·
·
应力松弛。当材料的应变保持不变时，应力随时间的增加而减小 滞后。对材料周期性加载时，材料的应力与应变不同步，应力 ~
应变曲线不重合。
18
非牛顿流体
两种现象
韦森堡效应：当向正在旋转的淀粉溶液
6非牛顿流体ppt课件
7
7
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
• 如图示：表观粘度 随速
度梯度的增大而减小。
• 而塑性粘度 和动切应力 0
相对为常数。故该两参数为 反映塑性流体流变性能的重 要参数，即特性参数。
• 和 0 可用毛细管粘
度计和旋转粘度计测定。
0 1
0
dy du
du
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
第六章、非牛顿流体的流动
本章将介绍几种常见的非牛顿流体，重 点研究塑性流体运动的基本规律，并讨论塑 性流体压力损失计算方法及幂律流体的运动 规律。
1
1
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
按照流体流动时的切应力和速度梯度之间的
关系，将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。
1、牛顿流体
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
5
5
工程流体力学
三、非牛顿流体的流变性
六、非牛顿流体的流动
1、塑性流体
特征：由液体及悬浮在其中的固体微粒所组成的胶状体。
如含蜡原油、牙膏、泥浆、润滑脂等。
当塑性流体速度达到一定程度时，其流变方程可用宾 汉公式表示（也称宾汉流体）。
0
du dy
( 0
dy du
)
du dy
极限动 切应力
6
塑性粘度
表观粘度
（视粘度）
6
工程流体力学
六、非牛顿流体的流动
塑性流体特点：
（1）塑性流体的流变性与牛顿流体不同，受力后，不能立 即变形流动。
（2）流动初期切应力与速度梯度之间呈曲线关系，粘度随 切应力增大而降低，随速度梯度的增大，切应力逐渐减弱， 最后接近牛顿流体，成直线关系，流体的粘度不再随切应 力的增加而变化，称为塑性粘度。
流体力学第6章 非牛顿流体
表观粘度（视粘度）：a
Kn
Kn1
4、屈服-假塑性流体
n<1
流变曲线：
0
流变方程为： 0 K dduyn Herschel-Bulkley模式（简称H-B模式）
屈服-假塑性流体的特点：受力后不立即流动，需要克服屈服应力才能流动。 具有剪切稀释特性。
表观粘度（视粘度）：a0Kn 0Kn1
（二） 与时间有关的非牛顿流体
以上这些流动特性和现象是牛顿流体力学所无法解释的。
§7-1 非牛顿流体的流变性和本构方程
流变性：流体流动和变形的特性。
流变方程：描述切应力与速度梯度之间关系的方程式。也叫本构方程，或 流变模式。
流变曲线：表示流体切应力和速度梯度之间变化关系的曲线。
对牛顿流体来说：
流变曲线如图
流变方程为： du dy
r 2 p p p 2 r L
∴ p r
L2
对任何流体，此式都成立
二、幂律流体的层流流动规律
根据力平衡关系： p r
L2
幂律流体本构方程： Kn Kdun
dr
∴
K
dun
p
r
dr L 2
即
1
du
p
n
1
rn
dr 2KL
积分，得
1
u
p
n
n
1n
r n C
2KL 1n
由壁面无滑移条件：r = R，u = 0，得
（5）沿程水头损失hf
1
由平均速度公式：V
p
n
n
R1nn
2KL 3n1
得
Vn p
n
n
R1n
2KL3n1
流体力学-非牛顿流体力学
1 Vdv V Vr n dA F dt cv cs
d rz K 本够关系 dr
n 1
d dr
边界条件，r=R 处，V=0
h1 h2 r p1 p2 rz 2rl r lg 0 l
4
17/15
第三节
控制方程
1 dt
宾汉流体在圆管中的层流运动
V Vr n dA
cs
Vdv cv
F
本够关系 rz y 边界条件，r=R 处，V=0
gJr 2 y r C, 4
d dr
罗伯逊－史蒂夫模型
罗伯逊－史蒂夫模型属三参数模型， 表达式繁琐，实际使用得很少
d K C dr
n
C为速度梯度修正值
8/15
第一节
非牛顿流体的流变特性_分类
依时性非牛顿流体 对剪切速率变化的响应是滞后的， 由于流体结构的变化极其缓慢，因此 其变化过程不可逆。
1.1无时间依存性的非牛顿流体
速度分布
n 1 3n 1 r n 1 n 1 R
13/15
第二节
水头损失
拟塑性流体在圆管中的层流运动_
压力降
2 KL 3n 1 n hhl JL n 1 gR n
L2 hhl D 2g
n
8 K 6n 2 n D n
n2
n
拟塑性流体雷诺数
2 n
64 Re p
Re p
Dn K
非牛顿流体原理
非牛顿流体原理在物理学中，流体可以分为牛顿流体和非牛顿流体两种类型。
牛顿流体遵循牛顿流体力学定律，也就是在外力作用下，流体的粘度保持恒定。
相比之下，非牛顿流体在外力作用下可以改变其粘度，其粘度与应力呈非线性关系。
本文将介绍非牛顿流体的原理及其应用。
1. 非牛顿流体的特点非牛顿流体的主要特点是其粘度随着剪切速率或剪切应力的改变而改变。
根据其粘度变化的规律不同，非牛顿流体可分为多种类型，如塑性流体、黏弹性流体和液晶流体等。
以下是每种类型的特点：•塑性流体：塑性流体在无剪切力作用下表现为固体，需要一定剪切力才能使其流动。
常见的例子是牙膏或润滑脂。
它们在静止时表现为固体，但在施加剪切力后会变为液体。
•黏弹性流体：黏弹性流体具有同时表现出液体和固体特性的特点。
它们的粘度会随着剪切速率或剪切应力的改变而改变。
当剪切速率较低时，它们表现出固体的特性，当剪切速率较高时，它们表现出液体的特性。
例如血液和酒精溶液。
•液晶流体：液晶流体是一种具有有序分子结构的流体。
它们的粘度可以通过施加电场或磁场来改变。
液晶流体常见于液晶显示器等技术中。
2. 非牛顿流体的原理非牛顿流体的粘度变化源于其内部微观结构的变化。
在牛顿流体中，其分子之间的相互作用力不随剪切力而改变。
而在非牛顿流体中，这种相互作用力会由于剪切力的作用而发生变化，从而引起粘度的变化。
具体来说，非牛顿流体的粘度变化可以归因于以下两种机制：•剪切稀化效应：当外力作用于非牛顿流体时，分子之间的排斥力增加，导致流体内部微观结构的破坏。
这会使流体的粘度降低，即发生剪切稀化。
剪切稀化效应常见于高分子溶液等流体中。
•剪切增稠效应：与剪切稀化相反，剪切增稠效应指的是在外力作用下，非牛顿流体内的微观结构变得更加有序，导致粘度增加，即发生剪切增稠。
这种效应通常发生在浓度较高的悬浮液和胶体溶液中。
3. 非牛顿流体的应用由于非牛顿流体具有粘度可调的特点，它们在许多领域中得到了广泛的应用。
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”。
非牛顿流体PPT课件
2. 爬杆效应 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
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3. 无管虹吸现象 对如聚异丁烯的汽油溶液
和百分之一的POX水溶液等 一些非牛顿流体，都很容易出 现无管虹吸现象。如图将管子 慢慢地从容器拨起时，可以看 到虽然管子己不再插在液体里， 液体仍源源不断地从杯中抽出， 继续流进管里
时变性非牛顿流体
（与剪切持续时间有关）
触变性流体 震凝性流体 黏弹性流体
剪切力：作用于同一物体上的两个距离很近（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
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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）
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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。
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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
利用此特性制成的液体防弹衣，相比 传统防弹衣在抵抗子弹冲击、尖刀刺 戳等性能上拥有很大的优势
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谢谢观赏
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2021/7/9
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主要工作
围绕聚合酶链式反应（PCR）展开的
非牛顿流体综述
非牛顿流体综述
非牛顿流体是指在受力作用下其流动性质不符合牛顿流体力学的一类流体。
在非牛顿流体中，剪切速率和剪切应力之间的关系不是线性的，而是可以表现出更为复杂的行为。
以下是非牛顿流体的一些常见类型和性质：
剪切稀释流体（Shear-Thinning Fluids）：这是最常见的非牛顿流体类型。
在剪切力作用下，粘度随剪切速率的增加而减小。
常见的例子包括聚合物溶液、墨水和一些生物体液，如血液。
剪切增稠流体（Shear-Thickening Fluids）：在这种情况下，粘度随剪切速率的增加而增加。
这种非牛顿流体的典型例子是玉米淀粉和水的混合物，也被称为"奇异流体"，因为其行为相对罕见。
黏弹性流体（Viscoelastic Fluids）：这种流体同时表现出粘性和弹性的特性。
在受力后，它们可以恢复形状，但也具有一定的黏性。
聚合物溶液和凝胶是黏弹性流体的例子。
粘塑性流体（Viscoplastic Fluids）：这类流体在受到一定剪切力之前表现得像固体，而一旦超过某个剪切阈值，它们就开始流动。
土壤、牙膏和墙漆都属于粘塑性流体。
液固两相流体（Fluid-Solid Transition）：这是一种能够在液体和固体之间切换的流体，具有流变性质。
它在无剪切力作用下表现为固体，在受到剪切力时表现为流体。
泡沫、乳液和胶体：由于其中包含气体、液滴或颗粒，这些复杂的体系也常常表现出非牛顿性质。
非牛顿流体的研究和应用涉及到许多领域，包括食品工业、药物制造、油漆和涂料、生物医学、化学工程等。
了解这些流体的行为对于设计和优化相应的工艺和产品具有重要意义。
非牛流体探讨PPT
加强物理、化学、工程等学科在非牛顿流体研究 中的交叉合作。
技术突破与进步
改进实验设备和方法
开发更先进的实验设备和方法，提高非牛顿流体的测量精度。
发展数值模拟技术
利用数值模拟技术预测非牛顿流体的流动行为，降低实验成本。
创新理论模型
建立适用于非牛顿流体的新理论模型，推动相关领域的发展。
05 非牛顿流体的实际案例分 析
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实验研究需要设计合理的实验方案，选择合适的实验设备，控制实验条件，以确保 实验结果的准确性和可靠性。
实验研究还可以通过对比不同条件下的实验结果，分析非牛顿流体的变化规律，为 实际应用提供指导。
理论模型
1
理论模型是非牛顿流体研究的重要手段之一，通 过建立数学模型可以描述非牛顿流体的流变特性， 预测流体的行为。
非牛顿流体探讨
目 录
• 非牛顿流体的定义与特性 • 非牛顿流体的应用领域 • 非牛顿流体的研究方法 • 非牛顿流体的挑战与前景 • 非牛顿流体的实际案例分析
01 非牛顿流体的定义与特性
定义
非牛顿流体是指不满足牛顿粘性定律 的流体，即其剪切应力与剪切速率之 间的关系不是线性关系。
非牛顿流体在剪切速率变化时，其剪 切应力也会随之改变，表现出非线性 的流动行为。
2
理论模型的建立需要基于流体的物理性质和流动 条件，考虑流体的微观结构和相互作用力，建立 合适的数学方程。
3
理论模型可以解释非牛顿流体的内在机制，预测 流体的流动行为，为实际应用提供理论支持。
计算机模拟
计算机模拟是非牛顿流体研究 的重要手段之一，通过计算机 模拟可以模拟流体的流动行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，
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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K
du dy
n
幂律模式
式中， K —— 稠度系数，Pa.sn
n —— 流变指数，无因次，n<1
假塑性流体的特点：受力后立即流动，流变曲线经过原点。具有剪切稀释特性。
表观粘度（视粘度）：a Kn Kn1
3、膨胀性流体
流变曲线：
n>1
流变方程为：
K
du dy
n
幂律模式
式中，
K —— 稠度系数，Pa.sn
n —— 流变指数，无因次，n>1
膨胀性流体的特点：受力后立即流动，流变曲线经过原点。具有剪切增稠特性。
表观粘度（视粘度）：a Kn Kn1
4、屈服-假塑性流体
n<1
流变曲线：
0
流变方程为： 0 K dduyn Herschel-Bulkley模式（简称H-B模式）
屈服-假塑性流体的特点：受力后不立即流动，需要克服屈服应力才能流动。 具有剪切稀释特性。
对牛顿流体来说：
流变曲线如图
流变方程为： du dy
或
牛顿流体的特点：（1）受外力作用就流动； （2）温度压力一定时，粘度为常数； （3）流变曲线过原点。
（一） 与时间无关的非牛顿流体
1、塑性流体
流变曲线：
极限静切应力
0
极限动切应力0
0
流变方程为：
0
p
du dy
Bingham模式（宾汉模式）
(a)
(b)
(c)
(a) 甘油射流的收缩性 (b) 聚乙烯醇和硼酸钠水溶液射流的膨胀性 (c) 弹性回复现象
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。
（5）湍流减阻（Toms效应）
1
du
p
n
1
rn
dr 2KL
积分，得
1
u
p
n
n
1n
r n C
2KL 1n
由壁面无滑移条件：r = R，u = 0，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
表观粘度（视粘度）：a0 K n0K n1
（二） 与时间有关的非牛顿流体
1、触变性流体（thixotropic fluid）
在一定剪速下，随时间增加而切应力下降，
即粘度降低，由稠变稀，达到某时刻t0以后，
切应力不再变化，形成动平衡。
0
例如：油墨
t0
t
2、震凝性流体（rheopectic fluid）
0 ：屈服应力（屈服值）
p ：塑性粘度（结构粘度）
塑性流体的特点：受力后，不立即流动。这是由于其结构性较强，加力后， 不能立即破坏其结构性，必须所加的力足以破坏其结构性，发生剪切变形， 才开始流动。
表观粘度（视粘度）： a0 pp0 具有剪切稀释特性
2、假塑性流体
流变曲线：
n<1
流变方程为：
L V2 D 2g
8 n 1 K 3 n 1 n 4n
由
hf
L V2 D 2g
，得
64 D nV 2n
8 n1 K 3n 1 n 4n
与牛顿流体 64 比较，得幂律流体的雷诺数为： Re
Re
DnV 2n
8n1
K
3n
1n
4n
实验证明：Re ≤2000，层流； Re ＞2000，紊流
在同样动力下两幅消防水龙头喷水图
上图为未添加聚乙烯氧化物的情形
下图为添加聚乙烯氧化物后的情形
以上这些流动特性和现象是牛顿流体力学所无法解释的。
§7-1 非牛顿流体的流变性和本构方程
流变性：流体流动和变形的特性。
流变方程：描述切应力与速度梯度之间关系的方程式。也叫本构方程，或 流变模式。
流变曲线：表示流体切应力和速度梯度之间变化关系的曲线。
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：
r 2 p p p 2 r L
∴ p r
L2
对任何流体，此式都成立
二、幂律流体的层流流动规律
根据力平衡关系： p r
L2
幂律流体本构方程： Kn Kdun
dr
∴
K
dun
p
r
dr L 2
即
例如： Casson模式
1
2
1
2
01212
式中， —— 视粘度
流变曲线：
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
n
n
R 1 n
2 g K 2 V n2 n n R n 1
L D
V 2 2g
3n 1
3n 1
2
n
4 KV n
n2
D n
1
L D
V 2 2g
3n 1 2 2
4n
64 n D
n
8
L D
V 2 2g
3n 1
KV n 2 2 3 n
64 D nV 2 n
小结
幂律流体沿程水头损失的计算方法：
hf
L V2 D 2g
层流时： 64
Re
Re
DnV 2n
8n1
K
3n
1n
4n
紊流时：
a Re b
a、b是经验值
幂律流体局部水头损失的计算方法：
hj
V2 2g
由实验确定。
第7章 非牛顿流体的流动
THE END
它与触变性相反，在一定剪速下，
0
随时间增加而切应力上升，即由
稀变稠。一般也在一定时间后达到动平衡。
震凝性与触变性相比是不常见的。
例如：造型石膏糊状物是震凝性体系的典型 例子，摇动石膏糊大大地缩短了固化时间， 使石膏很快成型。
t0
t
除了上述与时间无关的非牛顿流体和与时间有关的非牛顿流体的本构方程之外， 还有许多其它本构模式：
（3）断面速度比
u V
3nn111
1n
rn
R
（4）压降△p
pQn1n3nn
2KL R13n
（5）沿程水头损失hf
1
由平均速度公式：V
p
n
n
R1nn
2KL 3n1
得
Vn p
n
n
R1n
2KL3n1
解出
p
2KLV n
n
n
R1n
3n 1
（即p用平均流速V来表示）
∴
hf
p
2 KL V n
China University of Petroleum
第7章 非牛顿流体的流动1源自图 书期 刊3、非牛顿流体的某些流动特性
（1）管流剪切变稀现象
t1 t2 t3
甘油水溶液
t1
t2 t3
PAM水溶液
（2）爬杆效应（Weissenberg 效应） 左为牛顿流体，右为粘弹性流体
（3）挤出胀大和弹性回复