非牛頓流體傳遞過程特性2014-1

1、非牛頓流體的傳遞過程特性非牛頓流體的傳遞過程特性講課人：講課人：000辦公室：辦公室：000電話：電話：000Email：000000上課安排上課安排 總計：總計：40學時，學時，2014年第一學期：第年第一學期：第316周周(共共14次次)，每周四，每周四18:0020:25其中其中:國慶節(jié)放假國慶節(jié)放假1次，實驗次，實驗4次，考試次，考試1次次(第第16周周)（開（開卷）。實際講課：共卷）。實際講課：共78講（含復習）。講（含復習）。考試考試70分分,課堂作業(yè)與實驗課堂作業(yè)與實驗30分分.主要參考書主要參考書1、化工原理化工原理上冊上冊2、非牛頓流體的流動、混合和傳熱非牛頓流體的流動、混合

2、和傳熱王凱編著，浙江大王凱編著，浙江大 學出版社學出版社3、實用流變測量學實用流變測量學Gebhard Schramm著，李曉暉譯著，李曉暉譯 石油工業(yè)出版社石油工業(yè)出版社4、化工流體力學化工流體力學戴干策、陳敏恒著，化學工業(yè)出版社戴干策、陳敏恒著，化學工業(yè)出版社5、混合設備設計混合設備設計王凱、馮連芳著，機械工業(yè)出版社王凱、馮連芳著，機械工業(yè)出版社6 非牛頓流體力學及其運用非牛頓流體力學及其運用沈仲棠、劉鶴年編北京高等沈仲棠、劉鶴年編北京高等 教育出版社教育出版社第一章第一章 非牛頓流體的基本性質(zhì)非牛頓流體的基本性質(zhì) 第二章第二章 描述非牛頓流體的基本方程描述非牛頓流體的基本方程本構(gòu)方程本構(gòu)

3、方程第三章第三章 純粘性非牛頓流體的流動純粘性非牛頓流體的流動第四章第四章 流變測量流變測量粘度測量粘度測量 第五章第五章 非牛頓流體的管內(nèi)傳熱（自學為主）非牛頓流體的管內(nèi)傳熱（自學為主）第六章第六章 懸浮液流變學懸浮液流變學 第七章第七章 粘彈性流體的流變特性粘彈性流體的流變特性 第八章第八章 非牛頓流體在攪拌釜中的流動及傳熱非牛頓流體在攪拌釜中的流動及傳熱 非牛頓流體的傳遞過程特性非牛頓流體的傳遞過程特性第一章第一章 非牛頓流體的基本性質(zhì)非牛頓流體的基本性質(zhì) 1.1 什么是非牛頓流體什么是非牛頓流體要求：了解非牛頓流體的要求：了解非牛頓流體的基本定義、基本定義、基本特征、基本類型基本特征、

4、基本類型問題問題1)流體在直管中流動的阻力流體在直管中流動的阻力hf (化工原化工原理理) (見下圖）見下圖）現(xiàn)實工程設計中的問題：現(xiàn)實工程設計中的問題： hf=? hf=（L/d）u2/2d/2u =? =?摩擦阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)圖圖d層流：層流：=64/Re;=64/Re;湍流：湍流：=f(Re,/d)=f(Re,/d)層流層流or湍流湍流? ? =？Re=ud/Re=ud/問題問題2)直管中管壁的傳熱膜系數(shù)直管中管壁的傳熱膜系數(shù)h(or )（換熱器設計）（換熱器設計） 湍流湍流: :h(or )=0.023 Re0.8Pr0.4 Re=ud/ud/ Pr=cp/ /問題問題3)顆粒在液

5、體中的沉降速度（旋風分離器設計）顆粒在液體中的沉降速度（旋風分離器設計）同一個問題：同一個問題： =？=？ut=gdp2(p-)/(18) ) 聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAM）水溶液）水溶液?聚氯乙聚氯乙烯熔液烯熔液? 牙膏牙膏? 血液血液? 泥漿泥漿? 油漆？油漆？.例如：例如： 試計算試計算20C的水與的水與0.5%聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAM）水）水溶液在管內(nèi)徑為溶液在管內(nèi)徑為10mm直管內(nèi)以直管內(nèi)以10m/s和和1m/s的速度流動的速度流動時的流動雷諾數(shù)。時的流動雷諾數(shù)。u=u=1m/s：Re1=ud/=10001000* *1 1* *0.01/0.01/0.0010.001 =1

6、00002300u=u=10m/s :Re :Re1010= =ud/=10001000* *1010* *0.01/0.01/0.0010.001 =100000=1000002300 水水: d=0.01m, : d=0.01m, =998kg/m3(20C) =1.005mPa.s=0.001Pa.s聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAM）水溶液：）水溶液：=998kg/m3(20C)ReRe1 1= =ud/=10001000* *1 1* *0.01/(0.01/(0.0250.025)=4002300)=40023000.01/0.001=1000002300 如如: u=u=10m/s

7、:1010=0.001 Pa.s （實驗測量）（實驗測量） 粘度粘度=？在相同溫度下（在相同溫度下（20C），），不同流速不同流速測量：測量：本課的目的本課的目的: 了解在物性手冊上不能確定粘度值的流體了解在物性手冊上不能確定粘度值的流體(非牛頓流體非牛頓流體)的流動的流動(與傳熱與傳熱)的基本特征。的基本特征。非牛頓流體非牛頓流體!為什么？為什么？類似物體：巧克力、涂料、潤滑脂、雞蛋清類似物體：巧克力、涂料、潤滑脂、雞蛋清粘度不是物性，在物性手冊上沒有粘度的值。粘度不是物性，在物性手冊上沒有粘度的值。聚合物熔體粘度：聚合物熔體粘度：103-106 cPReRe差差103倍，層流倍，層流or湍

8、流湍流? ? 1-1-1 什么叫流體（什么叫流體（Fluid）簡言之：流動的物體。簡言之：流動的物體。嚴格講：任何微小嚴格講：任何微小剪切力剪切力作用都能連續(xù)變形的作用都能連續(xù)變形的物質(zhì)。物質(zhì)。( (受拉伸等不在此課講受拉伸等不在此課講) )空氣中單個分子運動不叫流動，空氣運動叫流動空氣中單個分子運動不叫流動，空氣運動叫流動 如：一塊石頭滾動，不叫流動；泥石流（大如：一塊石頭滾動，不叫流動；泥石流（大量石頭）運動，叫流動。量石頭）運動，叫流動。3)假設為無空隙的連續(xù)體假設為無空隙的連續(xù)體2)只研究流體質(zhì)點（大量分子）宏觀運動只研究流體質(zhì)點（大量分子）宏觀運動1)流體由大量分子（質(zhì)點）組成流體由

9、大量分子（質(zhì)點）組成三個特點三個特點 :1-1-2 什么叫牛頓流體什么叫牛頓流體Y牛頓粘性定律（化工原理）（內(nèi)摩擦定律）：兩流體層之間牛頓粘性定律（化工原理）（內(nèi)摩擦定律）：兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（單位面積上的內(nèi)摩擦力（剪應力剪應力）與垂直于流動方向的與垂直于流動方向的速速度梯度度梯度成正比。即：成正比。即： a)a)剪切應力剪切應力: :作用面 積剪切2PamN力AF在在F F作用下，平板以作用下，平板以U0沿沿x方向運動，平板下面的方向運動，平板下面的流體將隨平板向流體將隨平板向x方向運動方向運動 (原因原因?)dydu比例系數(shù)，叫粘性系數(shù)，或動力粘度比例系數(shù)，叫粘性系數(shù)，或動力

10、粘度簡稱粘度（簡稱粘度（viscosity）幾個重要名稱幾個重要名稱:流體對平板的流體對平板的反反作用力（分子碰撞等）作用力（分子碰撞等）dydu沿與流動方向垂直（法向）方向流體速度隨沿與流動方向垂直（法向）方向流體速度隨位置位置的的變化率變化率b)b)速度梯度：速度梯度：yUU12見前圖見前圖y0c)c)粘度粘度：表征：表征剪切應力與速度梯度的關(guān)系剪切應力與速度梯度的關(guān)系對對牛頓流體牛頓流體粘度：粘度： 速度梯度剪切應力dydu=常數(shù)常數(shù), ,無關(guān)or與與流體對平板的流體對平板的反反作用力（分子碰撞等）的大小，作用力（分子碰撞等）的大小，即流體粘性的大小可用即流體粘性的大小可用（ （粘度）表

11、示。粘度）表示。 空氣空氣(很小很小)；瀝青；瀝青(很大很大)；水；水(居中居中)。對不同的流體，要保證相同的速度變化對不同的流體，要保證相同的速度變化(變形變形)，所施加的力所施加的力F F是不同的。是不同的。（如圖）（如圖）空氣空氣水水 瀝青瀝青 瀝青瀝青水水空氣空氣定義：牛頓流體定義：牛頓流體 - -滿足牛頓粘性定律（線性滿足牛頓粘性定律（線性) )的流體。的流體。 注意注意: :直線過零點直線過零點! ! 牛頓流體在恒定溫度下，牛頓流體在恒定溫度下，為一確定值為一確定值常見物質(zhì)常見物質(zhì)20下的粘度（下的粘度（）值）值 厘泊厘泊cP 空氣空氣汽油汽油水水水銀水銀純甘油純甘油瀝青瀝青1.8

12、110-20.651.0051514991081-1-3 什么是非牛頓流體什么是非牛頓流體（Non-Newtonian Fluid）/0 or 0 or / 00 在溫度恒定，其他條件恒定下：在溫度恒定，其他條件恒定下： =f(=f(du/dy)=g()=g()不滿足牛頓粘性定律的流體，或者剪切應力與速度梯度不滿足牛頓粘性定律的流體，或者剪切應力與速度梯度不是正比關(guān)系不是正比關(guān)系( (非線性非線性）的流體，或者比例系數(shù)（粘度）的流體，或者比例系數(shù)（粘度）不是常數(shù)，而是與不是常數(shù)，而是與或dydu有關(guān)的流體有關(guān)的流體,即即:對不同的非牛頓流體，有不同的對不同的非牛頓流體，有不同的f()的形式，如

13、圖的形式，如圖du/dy:叫叫速度梯度速度梯度,也叫也叫剪切速率剪切速率或或剪切變形速率剪切變形速率等等牛頓牛頓流體流體非牛頓非牛頓流體流體牛頓流體實際是非牛頓流體中的一種特例。牛頓流體實際是非牛頓流體中的一種特例。 流變學（流變學（Rheology）.（流動與變形速率（變形）之間的關(guān)系）（流動與變形速率（變形）之間的關(guān)系）之間關(guān)系的科學變形率與研究流體)()(ordydu叫叫表觀粘度表觀粘度，牛頓流體，牛頓流體a= cont.a定義之間的關(guān)系與確定研究方法)(:or1-1-4 1-1-4 常見的非牛頓流體常見的非牛頓流體 1、巧克力類食品工業(yè)中的糊狀物，濃懸浮液，、巧克力類食品工業(yè)中的糊狀物

14、，濃懸浮液，乳濁液，人造奶油、乳濁液，人造奶油、生面團、雞蛋清生面團、雞蛋清 11、印刷油墨、圓珠筆油墨、印刷油墨、圓珠筆油墨.10、搪瓷釉漿、搪瓷釉漿9 9、發(fā)酵液、發(fā)酵液 8、紙漿、紙漿7、油漆、涂料、油漆、涂料6、大多數(shù)高分子溶液和聚合物熔體、大多數(shù)高分子溶液和聚合物熔體5、污泥、泥漿、石油工業(yè)中鉆井泥漿、污泥、泥漿、石油工業(yè)中鉆井泥漿4、牙膏，化妝品、洗滌劑、牙膏，化妝品、洗滌劑3、潤滑脂、潤滑油等、潤滑脂、潤滑油等2、生物流體：血液、呼吸系統(tǒng)中的粘液、關(guān)節(jié)液、生物流體：血液、呼吸系統(tǒng)中的粘液、關(guān)節(jié)液1-2 非牛頓流體的基本類型非牛頓流體的基本類型1-2-1 假塑性流體假塑性流體pse

15、udoplastic Fluid 特點如下：特點如下： 剪切變稀剪切變稀shear-thinning例如例如: :在聚合反應釜內(nèi)，在有機械攪拌在聚合反應釜內(nèi)，在有機械攪拌（即有剪切下）物料的粘度為（即有剪切下）物料的粘度為2000cP可可以從釜內(nèi)放出。如停止攪拌（沒有剪切）以從釜內(nèi)放出。如停止攪拌（沒有剪切）則物料粘度可達則物料粘度可達20000cP以上，很難從釜以上，很難從釜內(nèi)放出。內(nèi)放出。 常見流體：大多數(shù)高分子熔體，聚合物溶液。常見流體：大多數(shù)高分子熔體，聚合物溶液?，F(xiàn)象：流速越大（速度梯度越大），現(xiàn)象：流速越大（速度梯度越大），粘度越小，流動越快。粘度越小，流動越快。1-2-2 脹（漲

16、）塑性流體（脹（漲）塑性流體（Dilatant） 特點如下：特點如下： 脹塑性脹塑性:剪切變稠，剪切變稠，流速越大（速度梯度越大），流速越大（速度梯度越大），粘度越大，流動越粘度越大，流動越慢慢例：和芝麻醬，用勺攪拌，例：和芝麻醬，用勺攪拌，是快攪好攪，還是慢攪好攪？是快攪好攪，還是慢攪好攪？ 常見流體：淀粉液，芝麻醬。常見流體：淀粉液，芝麻醬。固體體積分率固體體積分率4047%的固的固液懸浮液等。液懸浮液等。1-2-3 賓漢（賓漢（Bingham）流體）流體塑性流體塑性流體 p廣義賓漢流體廣義賓漢流體特點如下：特點如下： 0 0 流動流動如：牙膏、泥漿如：牙膏、泥漿1-2-4 依時性流體依時

17、性流體 除除 外，外， aa還與剪切時間還與剪切時間t有關(guān)有關(guān)w與固體類似，當外力撤除后，流體的部分與固體類似，當外力撤除后，流體的部分變形會恢復，像彈簧一樣。而部分變形不變形會恢復，像彈簧一樣。而部分變形不恢復，同時具有粘性變形。如聚丙烯酰胺恢復，同時具有粘性變形。如聚丙烯酰胺水溶液從管中流出時，如果關(guān)閉閥門流出水溶液從管中流出時，如果關(guān)閉閥門流出的部分流體會從管口收縮回管內(nèi)。的部分流體會從管口收縮回管內(nèi)。（1）粘彈性流體）粘彈性流體(visco-elastic Fluid)（2）觸變流體（）觸變流體（Thixot-ropic Fluid） 恒定剪切速率恒定剪切速率 ，外力作用時間，外力作用

18、時間t越長，粘度變小。越長，粘度變小。停止作用，粘度又變大。停止作用，粘度又變大。aat tt t0=0如：涂料、番茄醬等。如：涂料、番茄醬等。用涂料刷墻，要慢刷（用涂料刷墻，要慢刷（? ?）。）。 1（3）反觸變流體震凝流體）反觸變流體震凝流體 如：飽和樹脂，比較少見。如：飽和樹脂，比較少見。 aat t0=01-3 非牛頓流體的某些流動現(xiàn)象非牛頓流體的某些流動現(xiàn)象 1-3-1管內(nèi)剪切變稀現(xiàn)象管內(nèi)剪切變稀現(xiàn)象 牛頓流體牛頓流體 CMC水溶液水溶液 從注射器流出從注射器流出 （假塑性流體）假塑性流體）判斷哪個是牛頓判斷哪個是牛頓? ?提示：出口提示：出口ReRe？1-3-2 爬桿現(xiàn)象（韋森堡效

19、應）爬桿現(xiàn)象（韋森堡效應）Weissenberg Effect 1944年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn) 牛頓流體牛頓流體 PAM水溶液水溶液（粘彈性流體）（粘彈性流體）攪拌實驗攪拌實驗(傳熱面變傳熱面變?)1-3-3 擠出脹大和彈性回復擠出脹大和彈性回復 牛頓流體牛頓流體PAM水溶液水溶液 1-3-4 無管虹吸無管虹吸 PAM水溶液水溶液牛頓流體牛頓流體 無管虹吸無管虹吸演示演示1-3-5 尤伯拉效應尤伯拉效應 牛頓流體牛頓流體氣泡氣泡PAM水溶液水溶液 1-3-6 減阻效應減阻效應 （Toms Effect）1948年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn) 例如：在消防車中加入少量例如：在消防車中加入少量PAM(幾十個幾十個ppm)可使

20、水龍頭噴射高度增加可使水龍頭噴射高度增加1/3以上。以上。 1-3-7 攪拌槽中的反向次流攪拌槽中的反向次流 牛頓流體牛頓流體PAM水溶液水溶液 1-3-8 電流變現(xiàn)象電流變現(xiàn)象 在強電場下，液體內(nèi)形成在強電場下，液體內(nèi)形成鏈狀結(jié)構(gòu)鏈狀結(jié)構(gòu), ,粘度增高，變?yōu)檎乘苄怨陶扯仍龈?，變?yōu)檎乘苄怨腆w，不流動。去電場后，極短時間內(nèi)恢復為原狀，又可活動。體，不流動。去電場后，極短時間內(nèi)恢復為原狀，又可活動。 演示演示1,2,3,41,2,3,4（視頻文件）（視頻文件）其它現(xiàn)象其它現(xiàn)象 對上述現(xiàn)象的解釋對上述現(xiàn)象的解釋 剪切變稀剪切變?。红o止靜止 流動流動靜止靜止 流動流動靜止靜止 流動流動靜止靜止 流動流

21、動高分子溶液的分子纏結(jié)理論：高分子溶液的分子纏結(jié)理論：牛頓流體牛頓流體 粘彈性流體粘彈性流體 由高分子的彈性產(chǎn)生的法向應力所致。像橡皮圈，受力后拉由高分子的彈性產(chǎn)生的法向應力所致。像橡皮圈，受力后拉伸，撤離后分子形態(tài)要恢復，具有伸，撤離后分子形態(tài)要恢復，具有“記憶記憶”能力。如圖能力。如圖 靜止時大分子互相纏結(jié)，流動時大分子的纏結(jié)點靜止時大分子互相纏結(jié)，流動時大分子的纏結(jié)點減少，分子變直，流動阻力減少，減少，分子變直，流動阻力減少，。爬桿現(xiàn)象爬桿現(xiàn)象：法向應力可以說明法向應力可以說明3，4，7等現(xiàn)象。對非牛頓流體流動等現(xiàn)象。對非牛頓流體流動現(xiàn)象的解釋并不是非常令人信服的。需進一步研究?，F(xiàn)象的解

22、釋并不是非常令人信服的。需進一步研究。例如：例如：脹塑性流體脹塑性流體“吸干吸干”效應高固含流體效應高固含流體低剪切下，填充固體粒子之間充滿液體低剪切下，填充固體粒子之間充滿液體(少量少量)，潤滑，潤滑好，易流動好，易流動 高剪切下，變疏松，液體被吸進大空隙中了高剪切下，變疏松，液體被吸進大空隙中了, ,干固體粒干固體粒子之間由于摩擦阻力增大，難流動子之間由于摩擦阻力增大，難流動。 靜止靜止 流動流動例如：例如：觸變性流體觸變性流體高固含微粒。高固含微粒。由于微粒帶有靜電，形成特定的結(jié)構(gòu)由于微粒帶有靜電，形成特定的結(jié)構(gòu) 靜止時靜止時 流動時流動時 重新靜止重新靜止 靜止時低剪切力靜止時低剪切力

23、大，流動時有剪切力結(jié)構(gòu)破壞易大，流動時有剪切力結(jié)構(gòu)破壞易變形，重新靜止（低剪切）結(jié)構(gòu)恢復變形，重新靜止（低剪切）結(jié)構(gòu)恢復 不能解釋，時間長短的影響。不能解釋，時間長短的影響。 作業(yè)作業(yè)第二章第二章 描述非牛頓流體的基本方程描述非牛頓流體的基本方程本構(gòu)方程本構(gòu)方程本構(gòu)方程本構(gòu)方程-描述剪切力與切剪速率描述剪切力與切剪速率(速度梯度速度梯度)的關(guān)系式的關(guān)系式2、1基本名稱基本名稱2、11 速度梯度速度梯度/剪切速率剪切速率/剪切變形速率剪切變形速率/切變率切變率切變率：單位時間微元相鄰兩邊之間的夾角變化切變率：單位時間微元相鄰兩邊之間的夾角變化(形變快慢形變快慢）。）。流體微元在流動中的變形如下（受剪切力）流體微元在流動中的變形如下（受剪切力）:切變率與速度梯度相同切變率與速度梯度相同?/1 /smsmdydu速度梯度速度梯度:流動快慢流動快慢切變率：切變率：)0(limttdtdtttYyxtyxt+ tt時刻t+ t時刻e2ttytUUarctgytU