王振東：非牛頓流體及其奇妙特性

1、    王振東：非牛頓流體及其奇妙特性）                        <TD     class=text15 valign="top" id="contenttd" style="padding: 15px;">

2、60;                        現(xiàn)在去醫(yī)院作血液測試的項目之一，己不再是“血黏度檢查”，而是“血液流變學撿查”（簡稱血流變），為什么會有這樣的變化呢？這就要從非牛頓流體談起。     英國科學家牛頓于1687年，發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動的實驗結(jié)果。實驗是在兩平行平板間充滿水時進行的，下平板固定不動

3、，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運動。此時，附著于上、下平板的流體質(zhì)點的速度，分別是U和0，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度系數(shù)。由此得到了著名的牛頓黏性定律。     斯托克斯1845年在牛頓這一實驗定律的基礎上，作了應力張量是應變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性及流體靜止時應變率為零的三項假設，從而導出了廣泛應用于流體力學研究的線性本構(gòu)方程，以及被廣泛應用的納維-斯托克斯方程（簡稱：納斯方程）。     后來人們在進一步的研究中知道，牛頓黏性實驗定律（以及在此基礎上建立的納斯方程），對于描述像水和空氣這樣低

4、分子量的簡單流體是適合的，而對描述具有高分子量的流體就不合適了，那時剪應力與剪切應變率之間己不再滿足線性關(guān)系。為區(qū)別起見，人們將剪應力與剪切應變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。因為對血液而言，剪應力與剪切應變率之間己不再是線性關(guān)系，己無法只給出一個斜率（即黏度）來說明血液的力學特性，只好作血流變學測試，給出二者間的非線性關(guān)系。          形形色色的非牛頓流體          早在人

5、類出現(xiàn)之前，非牛頓流體就己存在，因為絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質(zhì)那樣的“半流體”，都屬于非牛頓流體。     近幾十年來，促使非牛頓流體研究迅速開展的主要動力之一，是聚合物工業(yè)的發(fā)展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。     石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水

6、流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。     非牛頓流體在食品工業(yè)中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、菜湯、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料。     綜上所述，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián)體系、懸浮體系等復雜性質(zhì)的流體，差不多都是非牛頓流體。有時為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液、新型潤滑劑等。  

7、   現(xiàn)在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱為軟物質(zhì)。          非牛頓流體的奇妙特性及應用          射流脹大     如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發(fā)現(xiàn)射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱

8、為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴于雷諾數(shù)，其值約在0.881.12之間。而對于高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來說，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函數(shù)。     模片脹大現(xiàn)象，在口模設計中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產(chǎn)出的產(chǎn)品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。     這種射流脹大現(xiàn)象，也叫Barus效應，或Merring

9、ton效應。          奶酪生產(chǎn)情景：奶酪從管中流出后馬上脹大          爬桿效應     1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院，公開表演了一個有趣的實驗：在一只有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實驗桿。對于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對于黏彈性流體，卻向杯中心流動，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實驗桿旋轉(zhuǎn)速度很低時，也可以觀察到這一現(xiàn)

10、象。     爬桿效應也稱為Weissenberg效應。在設計混合器時，必須考慮爬桿效應的影響。同樣，在設計非牛頓流體的輸運泵時，也應考慮和利用這一效應。          爬桿效應實驗：左為牛頓流體，右為黏彈性流體          無管虹吸     對于牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶

11、液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎。          無管缸吸：對于化纖生產(chǎn)有重要意義          湍流減阻  

12、;   非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質(zhì)，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應。有人報告：在加入高聚物添加劑后，測得猝發(fā)周期加大了，認為是高分子鏈的作用。     減阻效應也稱為Toms效應，雖然其道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的應用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。應用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發(fā)生過程及其破壞作用。

13、60;   湍流減阻：在同樣動力下兩幅消防水龍頭噴水圖          上圖為未添加聚乙烯氧化物的情形     下圖為添加聚乙烯氧化物后的情形     非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質(zhì)外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細的細絲，可見“春蠶到死絲方盡”一文），剪切變?。梢姟半烨誓夷[治愈記”一文），連滴效應（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。     由于非牛頓流體涉及許多工業(yè)生產(chǎn)部門的工藝、設備、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來越受到科學工作者的重視。1996年8月在日本京都國際會議中心，召開的第19屆國際理論與應用力學大會（IUTAM）上，非牛頓流體流動是大會的6個重點主題之一，也是流體力學方面參與最踴躍的主題。Grochet邀請報告的觀點