非牛顿流体的传递过程特性2014-1
非牛顿流体的原理十五字

非牛顿流体的原理十五字非牛顿流体是一类具有特殊性质的流体,其黏度随着剪切速率的不同而变化。
相对于牛顿流体而言,非牛顿流体在流动过程中呈现出更为复杂的行为和性质。
非牛顿流体的性质主要取决于其内部结构和物理化学特性,在工程和科学领域中具有广泛的应用。
非牛顿流体的流动原理可以通过两个主要的理论进行描述:流变学和微观结构理论。
流变学关注的是流体的宏观行为,它通过测量应力和变形速率之间的关系来描述非牛顿流体的流动性质。
微观结构理论则关注流体的微观结构和物理化学特性,试图解释流体的非牛顿性质。
流体的黏度是描述其流动性质的重要参数。
在牛顿流体中,黏度是恒定不变的。
而在非牛顿流体中,黏度随剪切速率的变化而变化,即在不同的剪切速率下,非牛顿流体的黏度不同。
这种剪切速率依赖性的黏度称为剪切变稠效应。
非牛顿流体的黏度随剪切速率的变化可以分为两种类型:剪切变稠和剪切变稀。
剪切变稠是指非牛顿流体在受到剪切力时,其黏度随剪切速率的增加而增加。
这种现象可以通过粘弹性模型进行解释。
粘弹性模型认为,非牛顿流体的微观结构在受到剪切力时会发生变化,从而导致其黏度的变化。
一种常见的非牛顿流体,如胶体溶液,就具有剪切变稠的特性。
剪切变稠的非牛顿流体在工程领域中广泛应用,如涂料、印刷油墨等。
剪切变稀是指非牛顿流体在受到剪切力时,其黏度随剪切速率的增加而减小。
这种现象可以通过剪切稀释模型进行解释。
剪切稀释模型认为,在剪切力作用下,非牛顿流体的内部结构发生断裂,导致其黏度的降低。
一种常见的非牛顿流体,如血液,就具有剪切变稀的特性。
剪切变稀的非牛顿流体在生物医药领域中有重要应用,如药物输送和人工血液等。
非牛顿流体的流动还可以通过流体的浊流、凝胶和聚合物解缠等机制进行描述。
浊流是指非牛顿流体中具有一定浓度固体颗粒的情况下产生的流动行为。
这些颗粒之间发生相互作用,导致流体的流动性质发生变化,表现出非牛顿性。
凝胶是指非牛顿流体中形成了类似于凝胶状态的结构,使得流体的黏度增加,呈现出固体的性质。
非牛顿流体的流动.ppt

x u y
2.3 应变速度分析
拉伸粘度定义为拉应力和线应变速度之比,即 e xx xx 对于牛顿流体,其拉伸粘度是切粘度的三倍,即拉伸粘度特 别大是非牛顿流体的重要特征之一。 e 3 流速梯度非对角线的六个分量,每一个分量均能分解为代表 纯变形运动和代表纯旋转运动的两项。
2.4 应力与应变速度
应力和应变速度的关系
u x u y xy yx ( ) y x u u yz zy ( y z ) z y u u zx xz ( z x ) x z
pxx p 2 p yy p 2 u x x u y
3.2 剪切稀化流体
表观粘度函数为幂律形式 =k n1 剪切稀化流体的本构关系式 k n
n与k是常数,对剪切稀化流体 n 1,反映了非牛顿流体性质 的强弱。 实际工程中都处于中等变形速度的范围,k没有明显的物理 意义,虽然还有许多其他的数学模型,都没有幂律公式使用 得广泛和简便。
= 0 + p
3.5 卡森流体
卡森流体是另一种具有屈服值的非牛顿流体。 1 = ( c ) 本构方程为
c
卡森流体的本构方程能较准确地反映血液的流变特性。卡 森流体的本构方程在较大的变形速度范围内与实验数据符 合得很好。
3.6 时变性非牛顿流体
前面所讨论的非时变性非牛顿流体,其表观粘度只是变形 速度的函数,而与时间无关,这就是说在变形速度改变后, 流体内部结构的调整是瞬时完成的。改变变形速度后,可以 立即得到与变形速度相对应的切应力与表观粘度。结构调整 的时间很短,致使现有的测定技术对这种突变的时间过程无 法灵敏反映,这就是非时变性的含义。 (1) 触变性流体和震凝性流体 有些流体的表观粘度不仅是剪切速率的函数,而且还与其 受剪切作用的时间有关。这类物质体系的结构对剪切作用十 分敏感,其结构的调整却相当缓慢。由于流体的力学性质受 系统结构变化的影响,因此,在结构调整的时段内,流变性 质也随时间而变化,直到新的平衡结构形成为止。
有趣的非牛顿流体

有趣的非牛顿流体作者:叶弘宇来源:《新课程·下旬》2019年第02期摘要:非牛顿流体是坚硬和柔软的结合体,在大自然和生活中都存在非牛顿流体。
非牛顿流体属于液体,具有柔性,同时还具备遇强则强的特性。
采用轻松诙谐的语气,深入浅出地介绍了非牛顿流体及其特性,它与牛顿流体的区别以及在生活中的运用。
关键词:非牛顿流体;淀粉水;坚硬;固体在我们的生活中有种物质是坚硬和柔软的结合体,它就是非牛顿流体。
一、什么是非牛顿流体让我们来了解一下什么是非牛顿流体吧。
非牛顿流体的官方定义是指高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等。
包括聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液和各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等。
其实在大自然和我们的生活中都存在非牛顿流体,石油、泥浆、纸浆、油墨、油漆、牙膏、泡沫、沥青等都是非牛顿流体。
食品中的番茄汁、淀粉液、蛋清、酱油、果酱、炼乳、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也都是非牛顿流体。
还有绝大多数生物流体都属于上述定义的非牛顿流体,就连人身上的血液以及像细胞质那样的“半流体”也属于非牛顿流体。
二、非牛顿流体与牛顿流体的区别了解了非牛顿流体,新的问题来了,既然我们的生活中存在着许多的非牛顿流体,那与之相对应的牛顿流体又是什么呢?两者的区别是什么?其实自然界中许多流体都是牛顿流体。
例如水、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。
牛顿流体在受力后极易变形,且切应力与变形速率成正比,属于低粘性流体,而不同于牛顿流体特性的流体一般被称为非牛顿流体。
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,反之称为非牛顿流体。
也就是牛顿流体就是像水一样的低粘性流体,凡是不属于低粘性的流体,例如淀粉液就称为非牛顿流体。
三、非牛顿流体的有趣特性虽然非牛顿流体属于液体,具有柔性,但它同时还具备遇强则强的特性,让我们来看看在它“身上”发生的有趣现象吧。
非牛顿流体的特征与应用

非牛顿流体的特征与应用作者:张雄喆来源:《中国新通信》 2018年第7期一、非牛顿流体的概念水、乙醇等大多数纯液体、低分子溶液和低速流动的气体等为牛顿流体,牛顿流体是指满足牛顿粘性定理的液体,剪应力和剪切应变率成正比,粘度为常数。
非牛顿流体的剪应力与剪切应变率之间不呈线性关系,或者说粘度不是常数的流体。
生活中存在大量的非牛顿流体。
如(1)蛋清、淀粉液、、酱油、果酱、炼乳、熔化的巧克力等食物属于非牛顿流体;(2)人的体液,如血液、淋巴液、囊液等,以及类似细胞质的“半流体”属于非牛顿流体;(3)高分子聚合物的浓溶液和悬浮液一般是非牛顿流体,如PE、PVC、涤纶、各种工程塑料、橡胶溶液、化纤的熔体、溶液等,以及石油、纸浆、油漆、油墨、牙膏、泥石流等也都属于非牛顿流体。
不同类型的非牛顿流体在剪切应变速率的变化下会表现出不同的流变特性,利用这些特性,非牛顿流体也被广泛应用于工业领域。
二、非牛顿流体的特性2.1 射流胀大(挤出胀大)和弹性回复效应(Barus 效应)射流,指流体从管口、孔口、狭缝射出,或靠机械推动,并同周围流体掺混的一股流体流动。
当非牛顿流体受到外力被迫从一个大容器进入一根毛细管并流出时,可以发现射流直径大于毛细管直径,射流直径比毛细管直径称为挤出物胀大比。
对于牛顿流体,挤出物胀大比取决于雷诺数(表征流体的湍动程度,无量纲数),其值在1 附近;而对于非牛顿流体,其值大得多,甚至可以超过10. 一般来说,挤出物胀大比和流动速率与毛细管长度有关。
当突然停止挤出,并剪断挤出物,挤出物会发生回缩,成为弹性回复效应。
射流胀大现象需要被考虑在口模设计的过程中。
2.2 爬杆效应(韦森堡效应)在一只装有非牛顿流体的烧杯里,旋转实验杆,如图所示:┃C:\Users\bookan\Desktop\ぉ早ぅ,クマさん~\40.jpg┃图1 爬杆效应对于牛顿流体,由于受到离心力,液面将呈现凹形,如图1.b;而对于非牛顿流体,却向杯中运动,并沿杆向上爬,液面呈凸形,如图1.a。
流体的物理属性-牛顿流体和非牛顿流体

名称
0C
μ×103(Pa·s)
H2O
100
0.0127
Hg
380
0.0654
CO2
20
O2
20
N2
20
空气
20
0.0146 0.0203 0.0175 0.0181
液体 名称 H2O
温度 0C 20
粘度 μ×103(Pa·s)
1.005
Hg
20
1.547
Br2表1.3 某些2流6 体在常压下的0.9粘46度
牛顿流体和 非牛顿流体
1.4.1 牛顿流体 1.4.2 粘度 1.4.3 非牛顿流体
引言
牛顿平板实验揭示出牛顿粘性定 律。由于流体有粘性,紧靠壁面的流 体对于壁面不发生相对运动;实验证 明,相邻流体层之间的切应力 τyx 与 速度梯度 dux/dy 成正比。
牛顿流体的粘度是流体的物性常 数。普通的压强对流体的粘度几乎没 有什么影响;一般情况下认为流体的 粘度只随温度变化。
在温度升高时气体分子热运动变得剧 烈起来,加快不同流速流体层的动量交换 使气体粘度增大。
(2)粘度随温度变化的经验公式
水的粘度随温度变化的关系可以用下 面的经验公式来近似地表示:
0
1 0.0337t 0.000221t 2
(1.4.5)
经验公式(1.4.5)中,
μ0 是水在00C 时的粘度(Pa·s); t 是水的摄氏温度(0C)。
(3)苏士兰公式
气体的粘度随温度变化的关系可以近 似地用苏士兰 (Sutherland) 公式表示:
0
273 S T S
T 273
3/2
(1.4.6)
苏士兰(Sutherland)公式(1.4.6)中,
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有趣的非牛顿流体

撷英篇在我们的生活中有种物质是坚硬和柔软的结合体,它就是非牛顿流体。
一、什么是非牛顿流体让我们来了解一下什么是非牛顿流体吧。
非牛顿流体的官方定义是指高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等。
包括聚丙烯酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液和各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等。
其实在大自然和我们的生活中都存在非牛顿流体,石油、泥浆、纸浆、油墨、油漆、牙膏、泡沫、沥青等都是非牛顿流体。
食品中的番茄汁、淀粉液、蛋清、酱油、果酱、炼乳、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也都是非牛顿流体。
还有绝大多数生物流体都属于上述定义的非牛顿流体,就连人身上的血液以及像细胞质那样的“半流体”也属于非牛顿流体。
二、非牛顿流体与牛顿流体的区别了解了非牛顿流体,新的问题来了,既然我们的生活中存在着许多的非牛顿流体,那与之相对应的牛顿流体又是什么呢?两者的区别是什么?其实自然界中许多流体都是牛顿流体。
例如水、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。
牛顿流体在受力后极易变形,且切应力与变形速率成正比,属于低粘性流体,而不同于牛顿流体特性的流体一般被称为非牛顿流体。
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,反之称为非牛顿流体。
也就是牛顿流体就是像水一样的低粘性流体,凡是不属于低粘性的流体,例如淀粉液就称为非牛顿流体。
三、非牛顿流体的有趣特性虽然非牛顿流体属于液体,具有柔性,但它同时还具备遇强则强的特性,让我们来看看在它“身上”发生的有趣现象吧。
武侠小说中的武林高手,武艺高强,身负各种武林绝学,其中就有种叫“水上漂”的功夫,依靠轻功从水面上飞奔而过,这在现实生活中当然是不可能存在的。
而非牛顿流体却可以帮助我们实现“水上漂”的奇迹。
将一定比例的玉米淀粉和水搅拌均匀制成淀粉水,轻轻触碰时就像水一样,很容易将手指伸进去。
当你大力且快速地拍打时,淀粉水却变得十分坚硬,就像是拍在石头上一样。
【国家自然科学基金】_非牛顿流_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140730

科研热词 推荐指数 非牛顿流 2 鞅解 1 非牛顿流变 1 非牛顿流体 1 随机非牛顿流 1 边界设置 1 螺杆挤出 1 等温晶化 1 潜热输送 1 流变特性 1 单螺杆挤出 1 力学性能 1 不可压缩光滑粒子流体动力学 1 不可压缩sph 1 三维流动 1 tbab chs 1 lévy噪声 1 cu基非晶合金 1
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
科研热词 过冷液态 自由体积 脉冲效应 界面拉伸 挤出 复合材料 块体非晶合金 周期 压缩变形 单螺杆
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4
科研热词 非等温非牛顿流 特征线基分裂 特征线 分步算法
推荐指数 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
科研热词 非结构化网格 有限体积法 弹性波 孔隙介质 喷射流 simple算法 maxwell流体 casson流体推Βιβλιοθήκη 指数 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
科研热词 推荐指数 非牛顿变形 1 非晶合金 1 纳米晶化 1 纳米晶 1 约化压缩变形温度 1 有限差分法 1 断口显微组织 1 数值模拟 1 块体非晶合金 1 变形 1 压缩变形行为 1 充型过程 1 两相流 1 projection方法 1 level set方法 1 aramis三维变形分析测试系统 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
牛顿流体与非牛顿流体资料

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。
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。
(二)非牛顿流体的分类
图3-1 流体流变图
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: (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。 (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。
非牛顿流体的传递过程特性-2

∞
∞
幂 律 函 数 区
直 线
∞
∞
第 二 牛 顿 区
第 一 牛 顿 区
幂 律 函 数 区
双对数坐标
(1)幂律方程:
直线区:Y=aX+b
K m K m 1 K n ,(n m 1, m n 1)
d d
对非牛顿流体:如上图:
d t 1 d
0
1 a1 假塑性:t1 a1 0
目前大多数用 μ a表示非牛顿流体的表观粘度(粘度)。 以后所讲粘度,即表观粘度。 由于计算机的发展μ t也应用广泛起来。 μ t的特点:用不同的粘度计测量结果应相同(减小系统 误差,如零点漂移)。
2)剪切速率匀速增加后再匀速减小,τ ~ 曲线不 重合,有滞后现象.
面积A1 第1次,t1,A=A1
第2次,t2,A=A2 第n次,tn,A=0
第n次--触变性消失, 变成假塑性流体。流体 的结构到达新的稳定状 态(平衡) 用滞后面积A的大小代 表流体的触变性大小, 但不好表达.
本构方程:与时间有关。 Moore方程:(无屈服应力)
a
0
1 m
1
定义 : 0 , , 为 0, 下的a
m为a ( 0 ) / 2时测出的 值.
1时: a 0,牛顿 1时: a ,假塑性 (用于PAM) 1时: a ,涨塑性
ΔY
e
y
t
y
t+ t
x
t时刻
x
t+ t时刻
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。
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 )
3.粘度和非牛顿流体类型

d ln n d ln
通常剪切速率越大,值越小,材料的非牛顿性越显著, 如温度下降、剪切速率升高、分子量增大、填料量增多等,都会使 材料非线性性质增强,从而使n 值下降。填入软化剂、增值上升。
T.Ouyang 2014 @ 聚合物流变学基础
3.3.1 非牛顿型流体的分类-假塑性
幂律方程由于其在公式上的简单性,在工程 上有较大的实用价值。 许多考虑了材料假塑性行为的软件设计程序 采用幂律方程作为材料的本构方程。幂律方 程的缺陷在于它是一个纯粹的经验方程,物 理意义不够明确,而且不能描写材料的弹性 行为。 另外,由于n值的多变性,使其适用的剪切速 率范围较窄,在使用中应注意。
3.3.1 非牛顿型流体的分类-假塑性
3) Cross方程 可全面描述“S”形流动曲线反映的转折
a
0 - 1 K m
当 0,有 a 0, 当 ,有 a , 中间区域描写了假塑性 规律,参数m反映了材料非牛顿性的 强弱。
这三个经验方程都不能描述高聚物的弹性。
第二牛顿流动区
25 25
T.Ouyang 2014 @ 聚合物流变学基础
3.3.1 非牛顿型流体的分类-假塑性
链缠结的观点解释 三个区间的剪切应力、剪切速率和 粘度的关系
第一牛顿区: 在较低剪切速率范围内,聚合物分子链虽受剪切 速率的影响,分子链定向、伸展或解缠绕,但在布朗运动作用下 ,它仍有足够时间恢复为无序状态,因此它的粘度不随剪切速率 变化
18
T.Ouyang 2014 @ 聚合物流变学基础
3.3 非牛顿型流体的分类
非牛顿型流体是一大类实际流体的统称,高分子 液体归属其中。一般地说,凡流动性能不能用牛 顿型流体式来描述 的流体,统称为非牛顿型流 体。 由于牵涉面广,至今并没有严格的分类法。 在高分子液体范畴内,可以粗略地把非牛顿型流 体分为纯粘性流体、粘弹性流体、有时间依赖性 的流体等几类。
非牛顿流体的原理应用

非牛顿流体的原理应用1. 什么是非牛顿流体非牛顿流体是指其粘度不仅取决于剪切速率,还可能取决于剪切应力的流体。
与牛顿流体不同,非牛顿流体在受力或剪切时会表现出非线性的粘度特性。
2. 非牛顿流体的分类根据粘度随剪切速率变化的方式,非牛顿流体可以分为以下几类:•塑性流体:在剪切应力达到一定阈值前不流动,如土壤、泥浆等。
•半固体流体:具有固体和液体两种状态,呈现出胶状的特征,如凝胶状物质。
•剪切稀化流体:剪切应力越大,粘度越低,如稀释液。
•剪切增稠流体:剪切应力越大,粘度越高,如淀粉水溶液。
•剪切变稀流体:剪切应力越大,粘度越低,如墨水。
3. 非牛顿流体的原理非牛顿流体的粘度变化与流体内部微观结构和分子作用有关。
•塑性流体的粘度阈值是由于在剪切应力小于阈值时,流体内部的微观结构呈现出固态的状态,而在剪切应力达到阈值时才会变为流体态。
•半固体流体的胶状特性是由于分子之间的静电作用或相互吸附力导致的,使得流体表现出固体般的性质。
•剪切稀化和剪切增稠流体的粘度变化是由于流体内部微观结构的改变引起的,分子在受到剪切应力时会重新排列,导致整体粘度的变化。
•剪切变稀流体的粘度变化是由于剪切应力对流体内部微观结构的破坏作用和分子间相互作用力的减弱导致的。
4. 非牛顿流体的应用非牛顿流体的特性使其在许多领域都有广泛的应用。
4.1. 化妆品和个人护理品非牛顿流体在化妆品和个人护理品中常用作稳定剂、增稠剂和流动控制剂。
例如,某些护肤品、洗发水和润滑剂等产品利用了非牛顿流体的剪切稀化或剪切增稠特性来实现特定的使用体验和性能。
4.2. 食品和饮料非牛顿流体在食品和饮料加工中有着重要的应用。
例如,高果胶浓度的果酱和果冻具有半固体流体的特性,能够保持产品的稠度和口感。
同时,一些调味品、酱料和饮料利用剪切稀化的特性,使得产品在挤压或搅拌时流动性增加,易于使用。
4.3. 医学领域非牛顿流体在医学领域广泛应用于药物传递、医疗器械润滑和注射液等方面。
考研备考大纲:华东理工大学2014年801化工原理考研大纲

考研备考大纲:华东理工大学2014年801化工原理考研大纲1、流体流动。
流体静力学;质量守恒;流动流体的机械能守恒;阻力损失;管路计算;流体流量的测定;非牛顿流体的特性。
2、流体输送机械。
离心泵;往复泵;气体输送。
3、液体搅拌。
混合机理;搅拌器的性能;搅拌功率;搅拌器的放大。
4、流体通过颗粒层的流动。
颗粒床层特性;流体通过固定床的压降,过滤。
5、颗粒的沉降和流态化。
颗粒的沉降运动;沉降分离设备;流化床;气力输送。
6、传热。
热传导;对流给热;沸腾给热和冷凝给热;热辐射;传热过程计算。
7、蒸发。
蒸发操作的经济性和操作方式;单效蒸发的计算;多效蒸发。
8、气体吸收。
气液相平衡;扩散和单相传质;相际操作;低浓度气体吸收;吸收的设计型计算和操作型计算;化学吸收。
9、精馏。
双组分溶液的气液相平衡;双组分溶液的设计型计算和操作型计算;间歇精馏;恒沸精馏与萃取精馏;多组分精馏流程方案选择。
10、气液传质设备。
板式塔;填料塔。
11、液液萃取。
液液相平衡;萃取过程的计算;常用萃取设备的工作原理。
12、其它传质分离方法。
结晶;吸附分离;膜分离。
13、热质同时传递的和固体干燥。
气液直接接触时的传热和传质;干燥静力学;间歇干燥过程计算;连续干燥过程的计算。
常用干燥设备。
二、热力学定律和热力学基本方程 1. 热力学第二定律。
亥姆霍兹函数和吉布斯函数。
2. 热力学基本方程,各种偏导数关系式。
3. 理想气体pVT变化中热力学函数变化的计算。
4. 可逆相变化和不可逆相变化中热力学函数变化的计算。
5. 热力学第三定律,化学变化中热力学函数变化的计算。
6. 可逆性判据与平衡判据的联系,克拉佩龙–克劳修斯方程。
三、多组分系统的热力学,逸度和活度 1. 偏摩尔量,集合公式和吉布斯–杜亥姆方程。
2. 化学势,组成可变的均相多组分系统和多相多组分系统的热力学基本方程。
3. 适用于相变化和化学变化的平衡判据。
4. 相律及其应用。
5. 逸度和逸度参考状态,逸度表示混合物中组分的化学势。
第二章 非牛顿流体的基本流变特性

3.膨肿性流体(或称胀流型流体)Dilatant fluid 特点: ⑴在直角坐标系中,膨肿性流体的流变曲线为通过坐标原 点且凹向剪切应力轴的曲线,如图所示。
⑵一受力就有流动,但剪切应力与剪切速率的不成比例, 随着剪切速率的增大,剪切应力的增加速率越来越大,即随 着剪切速率的增大,流体的表观粘度增大,这种特性被称为 剪切增稠性(shear thickening)。因此,膨肿性流体具有剪切 增稠性。
二、流体的流变性分类 非牛顿流体的流变性具有多种表现,与牛顿流体相比,要 复杂得多。对各类流体的流变性研究表明,流变学上各类流体 (包括牛顿流体)大体可划分为如表2-1所示的各种流变类型。 表2-1流体的流变性分类 纯粘性流体 牛 顿 流 体 假 塑 性 流 体 粘弹性流体 屈 服 假 塑 性 流 体 卡 森 流 体
流体运动粘度 与动力粘度
的关系为
Pa 式中, 为流体的密度,单位为 kg/m3, 的单位为 s ,则
的单位为
m2 / s
。 。对
⑶ 流变方程中反映流体流变特性的参数只有一个
牛顿流体来说,其流变方程只有一种形式。
⑷ 典型的牛顿流体举例:水、甘油、低分子量的成品油,空气。 ⑸ 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。
②流变方程简单,只有两个反映流变性质的常数(非牛顿流体 至少需要两个常数的流变方程,才能描述其流变行为),且这 两个常数的物理意义比较明确。例如,k反映了流体的粘稠程 度,n(n小于1)反映了流体的剪切稀释性质,n越小,流体的 剪切稀释性越强。
③方程便于线性化,数学回归简单,从而使得 k、n 便于 求解。例如,对方程两边取对数,有 lg lg k n lg 因此,在双对数坐标系中,其流变曲线为直线,直线的斜 1 率即为 n,在纵轴(对应 )上的截距即为 k。n、k 的几何 意义明确。
牛顿流体与非牛顿流体

(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。
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。
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。
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
非牛顿流体的原理

非牛顿流体的原理
非牛顿流体原理:对于非牛顿流体,当作用在流体上的剪切力发生改变时,其粘度发生改变。
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。
资料扩展
实例:非牛顿流体广为存有于生活、生产和大自然之中。
绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体。
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。
高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等通常为非牛顿流体。
聚乙烯、共聚丙烯酰胺、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,都不为牛顿流体。
石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再造溶液、钻井用的洗井液和固井液、磁浆、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都不为牛顿流体。
食品工业中的番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、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也都是非牛顿流体。
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3)假设为无空隙的连续体
如:一块石头滚动,不叫流动;泥石流(大 量石头)运动,叫流动。 空气中单个分子运动不叫流动,空气运动叫流动
1-1-2 什么叫牛顿流体
牛顿粘性定律(化工原理)(内摩擦定律):两流体层之间 单位面积上的内摩擦力(剪应力)τ 与垂直于流动方向的速 度梯度成正比。即:
ΔY
du dy
U
U y t y
U y y U y t , arctg y
t t
U y y U y t arctg 2 y
1-3-7 搅拌槽中的反向次流
牛顿流体
PAM水溶液
1-3-8 电流变现象
在强电场下,液体内形成链状结构,粘度增高,变为粘塑性固 体,不流动。去电场后,极短时间内恢复为原状,又可活动。
其它现象
演示1,2,3,4(视频文件)
对上述现象的解释 剪切变稀:
静止 流动
静止 流动
静止
流动
静止
流动
高分子溶液的分子缠结理论:
与固体类似,当外力撤除后,流体的部分 变形会恢复,像弹簧一样。而部分变形不恢 复,同时具有粘性变形。如聚丙烯酰胺水溶 液从管中流出时,如果关闭阀门流出的部分 流体会从管口收缩回管内。
(2)触变流体(Thixot-ropic Fluid)
τ τ μa
1
t
t
>0
=0
恒定剪切速率 ,外力作用时间t越长,粘度变小。 停止作用,粘度又变大。
主要参考书
•1、《化工原理》上册 •2、《非牛顿流体的流动、混合和传热》王凯编著,浙江大 • • 学出版社 石油工业出版社 •3、《实用流变测量学》Gebhard Schramm著,李晓晖译 •4、《化工流体力学》戴干策、陈敏恒著,化学工业出版社 •5、《混合设备设计》王凯、冯连芳著,机械工业出版社 •6 《非牛顿流体力学及其运用》沈仲棠、刘鹤年编北京高等
静止
流动
低剪切下,填充固体粒子之间充满液体 ( 少量 ) ,润滑 好,易流动μ↙ 高剪切下,变疏松,液体被吸进大空隙中了,干固体粒 子之间由于摩擦阻力增大,难流动μ↗。
例如:触变性流体-高固含微粒。 由于微粒带有静电,形成特定的结构
静止时
流动时
重新静止
静止时低剪切力 μ 大,流动时有剪切力结构破坏易 变形,重新静止(低剪切)结构恢复μ↗ 不能解释,时间长短的影响。
见前图
U 2 U1 y
⊿y→0
du dy
沿与流动方向垂直(法向)方向流体速度随位置的 变化率
c)粘度μ :表征剪切应力与速度梯度的关系 对不同的流体,要保证相同的速度变化(变形), 所施加的力F是不同的。
空气(很小);沥青(很大);水(居中)。
流体对平板的反作用力(分子碰撞等)的大小, 即流体粘性的大小可用μ(粘度)表示。
1-2-3 宾汉(Bingham)流体 —塑性流体 ∞ p
广义宾汉流体
特点如下:
∞
τ<τ0 不流动,像固体 τ>τ0 流动
如:牙膏、泥浆
1-2-4 依时性流体 除 外, μ a还与剪切时间t有关 (1)粘弹性流体(visco-elastic Fluid)
d
摩擦阻力系数图 层流:λ =64/Re;湍流:λ =f(Re,ε /d) 层流or湍流?
Re=ρ ud/μ
μ =?
问题2)直管中管壁的传热膜系数h(or α)(换热器设计) 湍流:h(or α)=0.023 Re0.8Pr0.4 Re=ρ ud/μ Pr=cpμ /λ
μ =?
问题3)颗粒在液体中的沉降速度(旋风分离器设计)
ΔY
e
y
t
y
t+ t
x
t时刻
x
t+ t时刻
切变率:
t t t d lim dt t
(t 0)
t t
2
U y y e U y y U y t tg , arctg y y
y y
在温度恒定,其他条件恒定下: μ =f(du/dy)=g(τ )
du/dy:叫速度梯度,也叫剪切速率或剪切变形速率等
对不同的非牛顿流体,有不同的f()的形式,如图
非牛顿 流体 牛顿 流体
∞
定义 a
叫表观粘度,牛顿流体μa=μ= cont. 牛顿流体实际是非牛顿流体中的一种特例。
du 研究流体 与 ( ) (or 变形率)之间关系的科学 dy
-流变学(Rheology). (流动与变形速率(变形)之间的关系)
研究方法: 确定 与 (or )之间的关系
1-1-4 常见的非牛顿流体
1、巧克力类-食品工业中的糊状物,浓悬浮液, 乳浊液,人造奶油、生面团、鸡蛋清… 2、生物流体:血液、呼吸系统中的粘液、关节液 3、润滑脂、润滑油等 4、牙膏,化妆品、洗涤剂 5、污泥、泥浆、石油工业中钻井泥浆 6、大多数高分子溶液和聚合物熔体 7、油漆、涂料 8、纸浆 9、发酵液 10、搪瓷釉浆 11、印刷油墨、圆珠笔油墨 ……..
本课的目的: 了解在物性手册上不能确定粘度值的流体 (非牛顿流体)的流动(与传热)的基本特征。
1-1-1 什么叫流体(Fluid)
简言之:流动的物体。 严格讲:任何微小剪切力作用都能连续变形的 物质。(受拉伸等不在此课讲)
1)流体由大量分子(质点)组成 三个特点 : 2)只研究流体质点(大量分子)宏观运动
1-2 非牛顿流体的基本类型
1-2-1 假塑性流体-pseudo-plastic Fluid
∞
特点如下:
∞
∞
剪切变稀-shear-thinning 现象:流速越大(速度梯度越大), 粘度越小,流动越快。
常见流体:大多数高分子熔体,聚合物溶液。 例如:在聚合反应釜内,在有机械搅拌 (即有剪切下)物料的粘度为~2000cP可 以从釜内放出。如停止搅拌(没有剪切) 则物料粘度可达20000cP以上,很难从釜 内放出。
第一章 非牛顿流体的基本性质
要求:了解非牛顿流体的基本定义、 基本特征、基本类型 §1.1 什么是非牛顿流体
现实工程设计中的问题:
问题 1) 流体在直管中流动的阻力 hf ( 化工原 理) (见下图)
u d/2
hf=? hf=λ (L/d)u2/2
λ =?
纯甘油
1499
沥青
~108
0.65
牛顿流体在恒定温度下,μ 为一确定值
1-1-3 什么是非牛顿流体 (Non-Newtonian Fluid)
不满足牛顿粘性定律的流体,或者剪切应力与速度梯度 不是正比关系(非线性)的流体,或者比例系数(粘度) 不是常数,而是与
du 或 dy
有关的流体,即:
∂μ /∂τ ≠0 or ∂μ /∂ ≠0
μ 比例系数,叫粘性系数,或动力粘度 简称粘度(viscosity)
几个重要名称:
剪切力 a)剪切应力: 作用面积 [N ] [ Pa] 2 [m ]
F A
在F作用下,平板以U0沿x方向运动,平板下面 的流体将随平板向x方向运动 (原因?)
流体对平板的反作用力(分子碰撞等)
b)速度梯度:
ut=gdp2(ρp-ρ)/(18μ ) 同一个问题: μ =?
聚丙烯酰胺(PAM)水溶液? 聚氯乙烯熔液? 牙膏? 血液? 泥浆? 油漆?…….
例如:
试计算20°C的水与0.5%聚丙烯酰胺(PAM)水 溶液在管内径为10mm直管内以10m/s和1m/s的速度流 动时的流动雷诺数。
水: d=0.01m, ρ=998[kg/m3](20°C) μ =1.005[mPa.s]=0.001[Pa.s] u=10m/s :Re10=ρud/μ=1000*10*0.01/0.001 =100000>2300 u=1m/s:Re1=ρud/μ=1000*1*0.01/0.001 =10000>2300
聚丙烯酰胺(PAM)水溶液:ρ=998[kg/m3](20°C) 粘度μ =?
如: u=10m/s :μ
10=0.001
[Pa.s] (实验测量)
Re10=ρud/μ=1000*10*0.01/0.001=100000>2300 u=1m/s: μ
1
=25μ
10
=0.025[Pa.s] (实验测量)
•
教育出版社
《非牛顿流体的传递过程特性》
第一章 非牛顿流体的基本性质 第二章 描述非牛顿流体的基本方程—本构方程 第三章 纯粘性非牛顿流体的流动 第四章 流变测量—粘度测量 第五章 非牛顿流体的管内传热(自学为主) 第六章 悬浮液流变学 第七章 粘弹性流体的流变特性 第八章 非牛顿流体在搅拌釜中的流动及传热
1-2-2 胀(涨)塑性流体(Dilatant)
∞
∞
特点如下:
∞
胀塑性:剪切变稠,流速越大(速度梯度越大), 粘度越大,流动越慢
常见流体:淀粉液,芝麻酱。 固体体积分率40~47%的固—液悬浮液等。
例:和芝麻酱,用勺搅拌, 是快搅好搅,还是慢搅好搅?
牛顿流体
PAM水溶液 (粘弹性流体)