原油流變學(xué)粘彈性流體

§2.4粘彈性流體

粘彈性流體就是既具有粘性同時(shí)又具有彈性的流體。在定常剪切流場(chǎng)中，這種流體在外力作用下發(fā)生形變或流動(dòng)，當(dāng)外力消除后，它的形變會(huì)隨時(shí)間回復(fù)或部分回復(fù)。粘彈性流體的流變性往往比較復(fù)雜，許多問題至今仍未得到很好地認(rèn)識(shí)。一、粘彈性流體的一些流變現(xiàn)象1．爬桿現(xiàn)象

2．?dāng)D出脹大現(xiàn)象3．同心套管軸向流動(dòng)現(xiàn)象

4．回彈現(xiàn)象5．無管虹吸現(xiàn)象6．次級(jí)流現(xiàn)象7．紊流減阻現(xiàn)象二、粘彈性流體的流變特征1．法向應(yīng)力與法向應(yīng)力差當(dāng)力F作用于物體時(shí)，物體內(nèi)部體積元所受的總應(yīng)力（或物體內(nèi)部某一點(diǎn)所受到的總應(yīng)力）可用九個(gè)應(yīng)力分量表示，或者說可分解為九個(gè)應(yīng)力分量，其中i代表應(yīng)力分量作用的平面法向方向，j代表應(yīng)力分量的方向，如下圖所示，可用張量表示如下。其中，應(yīng)力分量的下標(biāo)1、2、3分別對(duì)應(yīng)于x、y、z方向。τ11、τ

22、τ33為法向應(yīng)力，其它6個(gè)為剪切應(yīng)力，并且，τ12＝τ21，τ13＝τ31，τ23＝τ32。對(duì)簡(jiǎn)單的剪切流動(dòng)，τ13＝τ31＝0，τ23＝τ32＝0，故只有剪切應(yīng)力τ12起作用。（1）剪切粘度為第一法向應(yīng)力差，產(chǎn)生軸向壓力，引起Weissenberg效應(yīng)和擠出物脹大現(xiàn)象。為第二法向應(yīng)力差，產(chǎn)生徑向壓力，通常很小，并為負(fù)值。為描述剪切流場(chǎng)中流體流變性隨剪切速率的變化性質(zhì)，需要下面3個(gè)物料函數(shù)：當(dāng)時(shí)，，稱部分應(yīng)力松弛，如圖中的曲線b所示；當(dāng)時(shí)，，稱完全應(yīng)力松弛，如圖中的曲線c所示。2．應(yīng)力松弛對(duì)粘彈性流體施加一恒定的應(yīng)變，即保持應(yīng)變隨時(shí)間不變見圖中的曲線a，那么流體內(nèi)所受到的應(yīng)力隨時(shí)間而逐漸減小，這種特性稱應(yīng)力松弛。（2）第一法向應(yīng)力系數(shù)（3）第二法向應(yīng)力系數(shù)對(duì)于牛頓流體，和均為0，為常數(shù)。應(yīng)力松弛曲線示意圖tabc3．彈性滯后理想固體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線為通過原點(diǎn)的直線，而且應(yīng)力上升與下降對(duì)應(yīng)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線完全重合，如圖中的曲線a。而粘彈性流體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線不是直線，而且其應(yīng)力上升與下降對(duì)應(yīng)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線不重合，如圖中的曲線b，這種特性稱彈性滯后。滯后環(huán)的面積與應(yīng)變隨時(shí)間的變化速率有關(guān)，即應(yīng)力是應(yīng)變與時(shí)間的函數(shù)。彈性滯后曲線示意圖

ab4．蠕變與回復(fù)對(duì)理想固體施加一恒定的應(yīng)力時(shí)，固體中瞬間產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)力消除時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變也瞬間完全回復(fù)。對(duì)理想流體施加恒定的應(yīng)力時(shí)，流體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)隨應(yīng)力作用時(shí)間的增加而逐漸增大；當(dāng)應(yīng)力消除后，流體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變不會(huì)回復(fù)。對(duì)粘彈性流體，對(duì)于應(yīng)力的突然施加與突然消除，得到的應(yīng)變－時(shí)間曲線是介于理想固體與理想流體之間的獨(dú)特的特性曲線。在應(yīng)力施加階段的應(yīng)變－時(shí)間曲線為蠕變曲線，在應(yīng)力消除后對(duì)應(yīng)的應(yīng)變－時(shí)間曲線為回復(fù)曲線。

蠕變與回復(fù)曲線

5．線性粘彈性與非線性粘彈性流體的粘彈性可分為線性粘彈性和非線性粘彈性。線性粘彈性即應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率之間成線性關(guān)系。粘彈性流體往往只能在較小的形變或形變速率下才出現(xiàn)線性特性。在較大的應(yīng)變或剪切速率下，應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率之間一般不成線性關(guān)系，即流體呈現(xiàn)非線性粘彈性。對(duì)非線性粘彈性狀態(tài)下的流體