什么是非牛頓流體 非牛頓流體的原理.docx

1、什么是非牛頓流體非牛頓流體的原理非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即 其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。非牛頓流 體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。絕大多數(shù)生物流體 都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊 液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛 頓流體。非牛頓流體實(shí)例非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。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 身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的 “半流體”都屬于非牛頓流體。高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。 聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、

2、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、高含沙水流、泥 石流、地幔等也都是非牛頓流體。食品工業(yè)中的番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、 醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團(tuán)、米 粉團(tuán)、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流 體。非牛頓流體的特性 射流脹大（也稱Barus效應(yīng)，或Merrington效應(yīng)）（圖1） 圖1奶酪射流出口的脹大現(xiàn)象如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器，流進(jìn)一根毛細(xì)管， 再?gòu)拿?xì)管流出時(shí)，可發(fā)現(xiàn)

3、射流的直徑比毛細(xì)管的直徑大。 射流的直徑與毛細(xì)管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠 出物脹大比）。對(duì)牛頓流體，它依賴于雷諾數(shù)，其值約在 0.881. 12之間。而對(duì)于高分子熔體或濃溶液，其值大得多， 甚至可超過(guò)10。一般來(lái)說(shuō)，模片脹大率是流動(dòng)速率與毛細(xì)管 長(zhǎng)度的函數(shù)。模片脹大現(xiàn)象，在口模設(shè)計(jì)中十分重要。聚合 物熔體從一根矩形截面的管口流出時(shí)，管截面長(zhǎng)邊處的脹大, 比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長(zhǎng)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(jìn)去的形狀。爬桿效應(yīng)（也稱為Weissenberg效應(yīng)）（圖2） 圖2非牛 頓流體的爬桿

4、效應(yīng)（右）1944年Weissenberg在英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院，公開表演了 一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)桿。對(duì)于牛頓流體，由于離心力的作用， 液面將呈凹形；而對(duì)于黏彈性流體，卻向杯中心流動(dòng)，并沿 桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實(shí)驗(yàn)桿旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)， 也可以觀察到這一現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效 應(yīng)的影響。同樣，在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí)，也應(yīng)考慮 和利用這一效應(yīng)。無(wú)管缸吸或開口虹吸（圖3） 圖3開口虹吸對(duì)于牛頓流體來(lái)說(shuō)，在虹吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果將虹吸管提離 液面，虹吸馬上就會(huì)結(jié)束。但對(duì)高分子液體，如聚異丁烯的 汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚

5、醵在水中的輕微凝 肢體系等，都很容易表演無(wú)管虹吸實(shí)驗(yàn)。將管子慢慢地沉著 器撥起時(shí)，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(jìn)管里。甚至更簡(jiǎn)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(guò) 程一旦開始，就不會(huì)中止，直到杯中液體都流光。這種無(wú)管 虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的根底。湍流減阻（也稱Toms效應(yīng)）（圖4） 圖4湍流減阻：同 樣動(dòng)力下消防水龍頭噴水圖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，如果在牛頓流體中參加少量聚合物，那么在給定的速 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(xué)界未解決的難題。然而在牛頓流體中參加少量高聚 物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應(yīng)。有人報(bào)告：在參加高聚物添 加劑后，測(cè)得猝發(fā)周期加大了，認(rèn)為是高分子鏈的作用。雖 然湍流減阻效應(yīng)的道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯(cuò)的應(yīng)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(yáng)程提高一倍以上。應(yīng)用高聚物添加劑，還能改善氣蝕 發(fā)生過(guò)程及其破壞作用。其他性質(zhì) 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