流体流动的基本概念

剪切速率

基本概述

流体的流动速相对圆流道半径的变化速率—剪切速率(shear rate)公式：剪切速率=流速差/所取两页面的高度差

塑料熔体注塑时流道的剪切速率一般不低于1000ˉS 浇口的剪切速率一般在100000ˉS—1000000ˉS

具体介绍

粘度为液体分子内摩擦的量度，也是物体粘流性质的一项具体反映。粘度的定义为一对平行板，面积为A，相距dr，板间充以某液体。今对上板施加一推力F，使其产生一速度变化du。由于液体的粘性将此力层层传递，各层液体也相应运动，形成一速度梯度du／dr，称剪切速率，以r′表示。F／A称为剪切应力，以τ表示。剪切速率与剪切应力间具有如下关系：（F ／A）=η（du／dr），此比例系数η即被定义为液体的剪切粘度（另有拉伸粘度，剪切粘度平时使用较多，一般不加区别简称粘度时多指剪切粘度），故η=（F／A）／（du／dr）=τ／r′。

粘度单位常用“泊”，以P表示。部分粘度单位换算如下：

1泊（P）=0.1牛顿秒／米2（Ns/m2）=3.6×102千克／米时（kg/mh）、1千克力秒／米2（kgfs/m2）=1Pa.s=98.07泊（P）。

PVC与大部分聚合物一样，影响其粘度的因素有：

1，温度T，PVC粘度随温度升高呈指数下降。

当剪切速率r′=100/s时，温度T=150℃，

软质PVC的粘度η=6200 Pa.s=608047泊（P）。

硬质PVC的粘度η=17000 Pa.s=1677900泊（P）。

温度T=190℃，

软质PVC的粘度η=310 Pa.s=30597泊（P）。

硬质PVC的粘度η=600 Pa.s=59220泊（P）。

2，剪切速率r′，剪切速率r′增加，PVC粘度下降。

温度T=150℃时，剪切速率r′=100/s，

软质PVC的粘度η=6200 Pa.s=608047泊（P）。

硬质PVC的粘度η=17000 Pa.s=1677900泊（P）。

剪切速率r′=1000/s，

软质PVC的粘度η=900 Pa.s=88263泊（P）。

硬质PVC的粘度η=2000 Pa.s=197400泊（P）。

3，压力，在同一温度下，增压会增加PVC的粘度。

剪切应力为τ，剪切速率为Ý，则粘度η＝τ/Ý，称为动力粘度，单位为Pa.s（泊），常用单位为mPa.s （如一般原油测试的粘度）。

一般现在流变仪测试的粘度结果都是1/s；而一些以前的粘度计测试的结果却是rpm，它换算成1/s估计有些困难，因为它的转子属于相对测试系统，转子尺寸和测量杯的尺寸的影响，无法准确得到其剪切速率。

一、流体流动的基本概念

1．剪切速率和剪切应力

液体与固体的重要区别之一是液体具有流动性，就是说，加很小的力就能使液体发生变形，而且只要力作用的时间相当长，很小的力就能使液体发生很大的变形。以河水在水面的流速分布为例，可以观察到越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大，河面水的流速分布如图3-1所示。管道中水的流速分布是中心处流速最大，越向周围流速越小，靠近管壁处流速为零。流速剖面形状为抛物线。从立体来看，它像一个套筒望远镜或拉杆天线，如图3-2所示。

水中各点的流速不同，可以设想将其分成许多薄层。通过管道中心线上的点作一条流速的垂线，自中心线上的点沿垂线向管壁移动位置，随着位置的变化流速也在发生变化。液流中各层的流速不同这个现象，通常是用剪切速率(或称流速梯度)这个物理量来描述的。如果在垂直于流速的方向上取一段无限小的距离缸，流速由I／变化到v+dv，则比值dw／d工表示在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，即剪切速率。剪切速率也可用符号了来表示。若剪切速率大，则表示液流中各层之间流速的变化大；反之，流速的变化则小。在SI单位制中，流速的单位为m／s，距离的单位为m，所以剪切速率的单位为s-1。钻井液在循环过程中，由于它在各个部位的流速不同，因此剪切速率也不相同。流速越大之处剪切速率越高，反之则越低。一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在10一20s-1；沸慰占?0～250 s-1；钻杆内100～1 000 s-1；钻头喷嘴处最高，大约在10 000～100 000 s-1。

液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部

内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体的粘滞性。

为了确定内摩擦力与哪些因素有关，牛顿通过大量实验研究提出了液体内摩擦定律，通常称为牛顿内摩擦定律。其内容为：液体流动时，液体层与层之间的内摩擦力(F)的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间的接触面积(S)和剪切速率(γ)成正比，而与接触面上的压力无关，即

F ＝μSγ (3-1)

内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力r，剪切应力可理解为单位面积上的剪切力，即

τ＝F／S＝μγ (3-2)

以上两式中，μ是量度液体粘滞性大小的物理量，通常称为粘度。μ的物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。μ越大，表示产生单位剪切速率所需要的剪切应力越大。粘度是液体的性质，不同液体有不同的μ值。μ还与温度有关，液体的粘度一般随温度的升高而降低。

在SI单位制中，r的单位是Pa，γ的单位是s-1，μ的单位是Pa·s。由于Pa·s单位太大，在实际应用中一般用mpa·s表示液体的粘度。例如，在20℃时，水的粘度ρ＝1．008 7mpa·s。在工程应用中，卢的常用单位为厘泊(cP)，cP=1 mpa·s。

式(3-2)是牛顿内摩擦定律的数学表达式。通常将剪切应力与剪切速率的：系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低流动的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体。

2．流变模式和流变曲线

剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本概念，钻井液流变性的核心题就是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。这种关系可以用学关系式表示，也可以作出图线来表示。若用数学关系式表示时，称为流变方程习惯上又称为流变模式，如式(3-2)就是牛顿流体的流变模式。若用图线来表时，就称为流变曲线。

当对某种钻井液进行实验，求出一系列的剪切速率与剪切应力数据时，即在直角坐标图上作出剪切速率随剪切应力变化的曲线，或剪切应力随剪切速变化的曲线。这两种形式是一样的，只是纵、横坐标互换了一下。鉴于目前各：文献著作中，两种表示方法同时存在，所以对它们都应该熟悉。图3-3a和3-3b分别为两种液体流变曲线的不同表示方法。由于是通过原点的直线，很显然两液体均为牛顿流体。在图3-3b中，直线的斜率tanα＝τ／γ，对某种液体说，μ是一个常数，说明在任何剪切速率下，牛顿流体的粘度不变。剪切速率γ

增加一倍，剪切应力τ也相应地增加一倍。也就是说，只用一个参数μ即可描牛顿流体的流变性。从图中还可看出，α越大，tanα越大，即液体的粘度μ

也越大。