原油流变学-第2章 非牛顿流体的基本流变特性 §2.3与时间有关的粘性流体

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四、触变性测量及触变模式 ➢ 触变性流体已被广泛应用，但触变性的流变方程的建立尚有
困难。 ➢ 目前常通过宏观方法进行实验。研究表明：所测得的实验结
果虽然能反映触变性流体的行为特征，但实验结果与测量方 法、实验条件，甚至测量的速度都有关，再现性较差，因而 还没有公认的统一的标准测量方法。
➢ 这里仅介绍以滞回曲线、 τ— —t曲线和等结构曲线等描述
变特征，将对管输含蜡原油的工艺设计和生产管理有重要意 义。
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（2）反触变性（anti-thixotropy）流体。 反触变性流体在恒定剪切应力或剪切速率作用下，其表观
粘度随剪切作用时间逐渐增加，当剪切消除后，表观粘度又逐 渐恢复。反触变性流体又称负触变性流体或覆凝性流体。
这种反触变性现象比触变性更令人费解，而且在实际生产 和生活中并不常见。如果理解了什么是触变性后，与它相反的 流变现象也就容易理解了，因此下面将重点阐述触变性流体。
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4、反复循环剪切流体可得滞回环 对静置且形成结构的流体，进行反复循环剪切(剪切速率连续增
加而后又连续减小的循环)，可测得滞回环。 滞回环的第一个环可能出现峰值，以后的环面积逐渐减小，并
向剪切速率轴方向移动。 对经过高速预剪过的流体，其滞回环会向离开剪切速率轴方向
移动，如图2-18所示。
图2-18 触变性流体的滞回环
间而上升，如图2-15所示。
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(2) 在恒温下，触变性流体已产生与特定高剪切速率相应的剪切 流动，当改换为恒定低剪切速率测定时，其表观粘度也会随剪切时 间而连续上升，表现为动态结构恢复性，如图2-16所示。
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3、流动存在动平衡态流变曲线 恒温下，保持剪切速率恒定，流体的剪切应力随作用时间连续变化，直至达 到与剪切速率相对应的动平衡状态，剪切应力不再变化，称此值为动平衡剪切应 力。 把各剪切速率和所对应的动平衡剪切应力描绘在图上，可求得一条动平衡流 变曲线，表征流体达到动平衡态时的流变行为，如图 2-17 所示。
网络结构强度必须足够强，以阻止热布朗运动效应对结构的破坏。 ➢ 如果体系被剪切：
弱的物理作用键被破坏，网络结构破碎成各自独立的聚集体，这种 聚集体又会进一步破碎成较小的称作流动单元的碎块。
另一方面，热运动以及流动剪切造成流动单元之间的相互碰撞，进 而使颗粒聚集体尺寸增长、数目增加。
经过一定的时间后，达到与给定的剪切速率相适应的聚集体破坏 与增长的动平衡状态。如果在更高的剪切速率下剪切，动平衡将向颗粒 进一步分散的方向变化。
触变性的方法，以及与每种方法相对应的触变模式。
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1、滞回曲线法
用旋转流变仪作为测量工具，在一定时间内，从最低转速开始，均衡地 逐渐升高转速，在升高过程中记录相应的剪切应力数据，得到如图2-21中的 ABC曲线；达到最高转速后再逐渐降低转速，记录转速下降时所对应的剪
切应力，得曲线 CA 。
常用滞回曲线所圈的面积衡量流体的触变性。由于滞回曲线所圈的面 积的大小与实验参数的选择有关，如最大转速的确定、从最小转速升高到 最大转速的时间等，因此，用滞回曲线的面积来衡量触变性的大小是有些 随意性的。
对一些复杂的体系，如多相分散悬浮液体系，体系内部物理结构 重新调整的速率则相当缓慢，体系的力学响应受到内部结构变化过程 的影响。也就是说，在恒定剪切速率下测定体系的剪切应力时，会观 察到剪切应力随剪切作用时间而连续变化。变化过程所需的时间可以 度量，则此类流体的流变性与时间有依赖关系，因此，常称此类流体 为与时间有关的流体，或称有时效流体。
剪切应力随时间而连续下降，即其表观粘度随剪切时间而下降，如 图2-14所示。
(2) 恒温触变性流体，虽已产生与恒定的低剪切速率相应的剪切 流动，若改变为恒定高剪切速率测试，所对应的剪切应力还会随时 间而下降，即其表观粘度仍会随剪切时间而下降，如图2-14所示。
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2、流体的表观粘度随时间而增长 (1) 经历剪切的流体，恒温且静置后，其表观粘度将随静置时
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➢ 分散相粒子是片状时，则形成如“卡片状房子”的网络结构； ➢ 分散相粒子是小棒状（或针状）时，则组成“框架式”的网
络结构； ➢ 分散相为小球状时，则组成“珠链式”的网络结构。
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随剪切速率增大，体系粘度降低（剪切稀释性Байду номын сангаас的主 要原因是：
颗粒之间作用键的破坏，造成的体系耗散能量的降低。 剪切稀释性的结构机理实际上是触变现象的本质原因，即 流体剪切稀释性所对应的流体结构的变化需要一个时间过 程，这一时间过程在宏观上就表现为粘度随时间的变化具 有触变性现象。
§2.3 与时间有关的粘性流体
一、概述
上节讨论的与时间无关的流体，其的共同特点是：在外力作用下， 体系的剪切速率瞬间即可调整到与剪切应力相适应的程度。
从基础理论的观点上看，一切过程都依赖于时间。被认为瞬间的 过程，只是其变化具有很高的速率常数，致使现有技术对观察和测定 此变化显得不够灵敏，因此，被认为是与时间无关的流体。
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流变性对时间有依赖关系的粘性流体，一般可概括为2类： （1）触变性（thixotropy）流体
1975年英国标准协会经修订后的触变性定义是：在剪切应 力作用下，表观粘度随时间连续下降，并在应力消除后表观粘 度又随时间逐渐恢复。
触变性物料在实际生产和生活中占有重要地位。例如： ➢ 油墨、油漆的质量常取决于是否有良好的触变性。 ➢ 钻井用泥浆，也要求有良好的触变性。 ➢ 低温下的含蜡原油，是一种天然的触变性流体，研究它的触
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二、触变性流体的特征 由于触变性流体的行为特征极为复杂，要全面、深
入地理解和掌握其触变性，仅依靠定义是不够的，还 必须研究触变性流体的一些典型特征。
实践及实验的结果表明，触变性流体的触变行为特 征，基本上可归纳为下列5种：
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1、流体的表观粘度随剪切时间而下降 (1) 恒温且静置的触变性流体，在恒定剪切速率下，测得流体的
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5、无限循环剪切流体可得到平衡滞回环（图2-19）
图2-19 触变性流体的平衡滞回环
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三、触变性机理
触变性可以被解释为是流体内悬浮颗粒聚集的结果。在分散体系中， 颗粒之间由于Van De Waals力而相互吸引，而又由于静电斥力和空间斥 力而相互排斥。体系最终的稳定状态将取决于这两种力的相对大小。 ➢ 如果分散体系处于静止，颗粒聚集体能形成空间网络结构。当然，