牛頓流體與非牛頓流體全解

一、流體流變特性的分類二、牛頓流體（一）牛頓流體的定義（二）牛頓流體的特點(diǎn)（三）牛頓流體的曲線三、非牛頓流體（一）非牛頓流體的定義（二）非牛頓流體的分類（三）非牛頓流體的流變特性四、總結(jié)主要內(nèi)容第一頁(yè)，共16頁(yè)。一、流體流變特性的分類純粘性流體粘彈性流體與時(shí)間無(wú)關(guān)流體與時(shí)間有關(guān)流體牛頓流體假塑性流體脹塑性流體賓漢姆流體屈服假塑性流體卡森流體觸變性流體反觸變性流體多種類型非牛頓流體表1-1流體流變特性分類第二頁(yè)，共16頁(yè)。表1-1中流體流變特性是按照以下幾個(gè)分類標(biāo)準(zhǔn)劃分的。（1）按照流體是否符合牛頓內(nèi)摩擦定律，分為牛頓流體和非牛頓流體。流變特性符合牛頓定律的為牛頓流體，牛頓流體是一種與時(shí)間無(wú)關(guān)的純粘性流體。反之，不符合的為非牛頓流體，非牛頓流體又包括各種類型，如與時(shí)間無(wú)關(guān)和有關(guān)的流體、粘彈性流體等。（2）按照流體是否具有彈性，分為純粘性流體和粘彈性流體。真實(shí)流體都是具有粘性的，若流體同時(shí)還具有彈性，則稱之為粘彈性流體，否則為純粘性流體。（3）按照流變性是否與時(shí)間有關(guān)，分為與時(shí)間無(wú)關(guān)的流體和與時(shí)間有關(guān)的流體。

第三頁(yè)，共16頁(yè)。牛頓流體的定義：當(dāng)液體的流動(dòng)曲線為通過(guò)座標(biāo)原點(diǎn)的一條直線時(shí)，我們把具有這種流動(dòng)性質(zhì)的液體稱作牛頓流體，（在一定溫度下和較寬的剪切速率范圍內(nèi),粘度值保持恒定的稱為牛頓流體。）在牛頓流體中,剪切應(yīng)力與剪切速率是成線性關(guān)系的,關(guān)系式為:二、牛頓流體:粘度或粘性系數(shù)粘度單位為，粘度數(shù)值上等于單位速度梯度下流體所受的剪應(yīng)力。（一）牛頓流體的定義第四頁(yè)，共16頁(yè)。（二）牛頓流體的特點(diǎn)：1、牛頓流體流變曲線為通過(guò)原點(diǎn)的直線。

2、

其中，剪切應(yīng)力

的單位為Pa，剪切速率

的單位為s-1，比例系數(shù)

為動(dòng)力粘度，單位為

（帕秒），有時(shí)對(duì)某些粘度較小的流體，

這種單位太大，而用

（毫帕秒）

（著名的牛頓流體內(nèi)摩擦定律）第五頁(yè)，共16頁(yè)。3、流變方程中反映流體流變特性的參數(shù)只有一個(gè)。對(duì)牛頓流體來(lái)說(shuō)，其流變方程只有一種形式。4、典型的牛頓流體：水、甘油、低分子量的成品油，空氣。5、牛頓流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?jiǎn)蜗嗔黧w、分散相濃度很低的假均勻多相混合物流體。（三）牛頓流體曲線：

剪切應(yīng)力/剪切速率=tanα=恒定值，

由于牛頓流體的流動(dòng)曲線是通過(guò)座標(biāo)原點(diǎn)的直線，因此在任一剪切速率下求得的(即粘度)均為恒定值。如前所述，牛頓流體可通過(guò)求任意剪切速率下的剪切應(yīng)力而求粘度。反之，若已知粘度值，則可知該直線與橫座標(biāo)的夾角(tanα＝)即斜率，因此該流體的流動(dòng)性就充分得到了說(shuō)明。第六頁(yè)，共16頁(yè)。非牛頓流體的定義：當(dāng)一種液體的剪切應(yīng)力和剪切速率之間存在著非線性關(guān)系，粘度值隨剪切應(yīng)力或剪切速率的變化而改變時(shí)，這種流體則稱為非牛頓流體。根據(jù)剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的不同可將非牛頓流體區(qū)分為若干類型，圖3-1示出了幾種常見(jiàn)類型的非牛頓流體的剪應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系曲線。三、非牛頓流體圖3-1流體的流變圖（一）非牛頓流體的定義（二）非牛頓流體的分類第七頁(yè)，共16頁(yè)。

根據(jù)表1-1中非牛頓流體的粘度函數(shù)是否和剪切持續(xù)時(shí)間有關(guān)，可以把非牛頓流體分成兩類：非時(shí)變性非牛頓流體和時(shí)變性非牛頓流體。1、非時(shí)變性非牛頓流體這類流體的切應(yīng)力僅與剪切速率有關(guān)，即粘度函數(shù)僅與應(yīng)變速率或（切應(yīng)力）有關(guān)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)。非時(shí)變性非牛頓流體主要包括：（1）賓漢流體：又稱塑性流體，它是只當(dāng)剪切應(yīng)力大于某一數(shù)值時(shí)才開(kāi)始流動(dòng)的流體，這時(shí)體系并非全部發(fā)生形變，而是產(chǎn)生滑動(dòng)，中間未發(fā)生變化的部分仍按原來(lái)的結(jié)構(gòu)形式一起向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)應(yīng)力大于屈服值后，其流動(dòng)性跟牛頓流體完全一樣。一些濃懸浮液如糊狀物、軟膏、面團(tuán)、淤泥等，在適當(dāng)條件下可表現(xiàn)出這種行為。（2）剪切稀化流體：也稱假塑性流體，這種流體沒(méi)有屈服值，表觀粘度隨剪切速率增加而減小。這種粘度隨剪切速率增大而減小的現(xiàn)象稱為剪切變稀現(xiàn)象。

第八頁(yè)，共16頁(yè)。

大多數(shù)高分子溶液和乳狀液具有明顯的假塑性。（3）剪切稠化流體：也稱脹塑性流體，與假塑性流體相反，膨脹流體的表觀粘度隨切變速率增加而增大，這種現(xiàn)象稱為剪切增稠現(xiàn)象。一些濃稠懸浮體、蛋白質(zhì)及某些高分子溶液可表現(xiàn)出切力增稠現(xiàn)象。2、時(shí)變性非牛頓流體這類流體的粘度函數(shù)不僅與應(yīng)變速率有關(guān)，而且還與剪切持續(xù)時(shí)間有關(guān)。大致可分為兩類：（1）觸變性和流凝性流體：隨著切應(yīng)力作用時(shí)間的延長(zhǎng)，表觀粘度越來(lái)越小的流體叫做觸變性流體；隨著切應(yīng)力作用時(shí)間的延長(zhǎng)，表觀粘度越來(lái)越大的流體叫做流凝性流體，這種流體在實(shí)際中非常少見(jiàn)。然而，在實(shí)際中我們遇到的觸變性體系較多，例如：某些粘土懸浮液、陳膠、溶膠及高聚合物可表現(xiàn)出觸變性。第九頁(yè)，共16頁(yè)。（2）粘彈性流體：粘彈性流體同時(shí)具有粘性液體和彈性固體的性質(zhì)，哪種性質(zhì)的表現(xiàn)程度如何要取決于外力作用時(shí)間的快慢長(zhǎng)短。粘彈性流體除粘度函數(shù)與剪切持續(xù)時(shí)間有關(guān)外，在剪切流動(dòng)中還表現(xiàn)出法向應(yīng)力差效應(yīng)。（三）非牛頓流體的流變特性（1）剪切稀化現(xiàn)象：粘度隨剪切變形速率增大而減小，變形速率愈大，表觀粘度愈小，流動(dòng)性就愈好。（2）爬桿現(xiàn)象(韋森堡效應(yīng))第十頁(yè)，共16頁(yè)。

人們已經(jīng)利用韋森堡效應(yīng)，可以讓赤裸的電線直接包裹上塑料，完全淘汰了過(guò)程復(fù)雜、成本高昂的沙包線工藝。（3）射流脹大現(xiàn)象：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)射流的直徑比毛細(xì)管的直徑大。如有圖示：其中

De=4~5D第十一頁(yè)，共16頁(yè)。（4）回彈現(xiàn)象（5）無(wú)管虹吸現(xiàn)象

對(duì)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)停止。對(duì)于非牛頓流體一旦開(kāi)始流動(dòng)就不會(huì)停止，即使低于管路水平面時(shí)也不會(huì)斷流。這一現(xiàn)象被應(yīng)用于拉伸粘度的測(cè)量。也是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ)。第十二頁(yè)，共16頁(yè)。（6）湯姆孫減阻效應(yīng)1948年，湯姆(TOMS)在第1屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議上宣布了他的減阻實(shí)驗(yàn)。將少量的聚甲基丙烯酸加入管內(nèi)一氯代苯低分子溶液的湍流中，在一定流量下，管內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力顯著下降，這一現(xiàn)象稱為減阻現(xiàn)象。由下圖可以看出，當(dāng)流動(dòng)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)，流線變密，流量增加，出現(xiàn)減阻現(xiàn)象。湍流減阻可以使流量增大，對(duì)傳熱、傳質(zhì)有利。第十三頁(yè)，共16頁(yè)。例如：在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車水龍頭噴出的水的揚(yáng)程提高一倍以上。對(duì)于水工建筑、水電站建筑中的氣蝕和水錘等特殊現(xiàn)象，用高聚物添加劑可以減輕其破壞作用。

如上圖，同樣動(dòng)力下兩幅消防水龍頭噴水圖，顯然，加入聚乙烯氧化物后水柱變高，速度能頭增大了。未添加聚乙烯氧化物的情形添加聚乙烯氧化物后的情形第十四頁(yè)，共16頁(yè)。

根據(jù)牛頓的理論牛頓流體的粘度：剪切應(yīng)力/剪切速率=恒定值，我們知道了流體的粘度值都是恒定不變的，如水、酒精、輕質(zhì)油等。但是實(shí)際上，通過(guò)人們的研究發(fā)現(xiàn)流體的粘度并不是恒定不變的，正如非牛頓流體粘度：剪切應(yīng)力/剪切速率≠恒定值；即粘度是個(gè)變化量；