非牛顿流体的传递过程特性2014-1

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：
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)
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。
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
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 ……..
静止时大分子互相缠结，流动时大分子的缠结点 减少，分子变直，流动阻力减少，μ↙。
爬杆现象：
由高分子的弹性产生的法向应力所致。像橡皮圈，受力后拉 伸，撤离后分子形态要恢复，具有“记忆”能力。如图
牛顿流体
粘弹性流体
法向应力可以说明3，4，7等现象。对非牛顿流体流动 现象的解释并不是非常令人信服的。需进一步研究。 例如：胀塑性流体 “吸干”效应－高固含流体
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 =?


《非牛顿流体的传递过程特性》
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•总计：40学时， •2014年第一学期：第3~16周(共14次)，每周四18:00~20:25 •其中:国庆节放假1次，实验~4次，考试1次(第16周)（开 卷）。实际讲课：共7~8讲（含复习）。 •考试70分,课堂作业与实验30分.
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
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）

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。
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。
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？
如：涂料、番茄酱等。 用涂料刷墙，要慢刷（?）。
（3）反触变流体－震凝流体
μa
t
>0

=0

如：饱和树脂，比较少见。
1-3 非牛顿流体的某些流动现象 1-3-1管内剪切变稀现象
牛顿流体
CMC水溶液 （假塑性流体）
从注射器流出
判断哪个是牛顿?提示：出口Re？
1-3-2 爬杆现象（韦森堡效应）Weissenberg Effect 1944年发现
牛顿流体
PAM水溶液 （粘弹性流体）
搅拌实验(传热面变?)
1-3-3 挤出胀大和弹性回复
牛顿流体
PAM水溶液
1-3-4 无管虹吸
牛顿流体
PAM水溶液
无管虹吸演示
1-3-5 尤伯拉效应
气泡
牛顿流体
PAM水溶液
1-3-6 减阻效应 （Toms Effect）1948年发现
例如：在消防车中加入少量PAM(几十个 ppm)可使水龙头喷射高度增加1/3以上。

见前图
Байду номын сангаас
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。
•
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《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
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：
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
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
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）
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
作业
第二章 描述非牛顿流体的基本方程 —本构方程
本构方程---描述剪切力与切剪速率(速度梯度)的关系式
§2、1基本名称 2、1．1 速度梯度/剪切速率/剪切变形速率/切变率

速度梯度:

du [m / s] [1 / s] dy [m]
流动快慢
切变率：单位时间微元相邻两边之间的夹角变化(形变快慢） 切变率与速度梯度相同? 流体微元在流动中的变形如下（受剪切力）:
U
U y t y
U y y U y t , arctg y
t t
U y y U y t arctg 2 y
对牛顿流体 粘度：


du dy
剪切应力 速度梯度


=常数,
与
or 无关
（如图）
μ
τ
沥青 水
沥青 水 空气 空气




定义：牛顿流体—-满足牛顿粘性定律（线性)的流体。 注意:直线过零点!
常见物质20℃下的粘度（μ ）值[厘泊][cP]
空气
1.81× 10-2
汽油
水
1.005
水银
15
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。
Re1=ρud/μ=1000*1*0.01/(0.025)=400<2300
在相同温度下（20°C），不同流速测量： 聚合物熔体粘度：~103---106 [cP] Re差~103倍，层流or湍流? 类似物体：巧克力、涂料、润滑脂、鸡蛋清… 粘度不是物性，在物性手册上没有粘度的值。 为什么？
非牛顿流体!