流体力学9非牛顿流体

1、Chap 9 非牛顿流体主要内容主要内容1. 流变特性2. 与时间无关的非牛顿流体3. 与时间有关的非牛顿流体4. 粘弹性非牛顿流体5. 研究方法1. 1. 流变特性流变特性牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：tyudddd剪切应力剪切应力速度梯度速度梯度剪切变形角速度剪切变形角速度满足牛顿内摩擦定律的流体称为满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体牛顿流体。或。或应力与应变的应力与应变的关系为线性的流体。关系为线性的流体。 一受外力就开始流动；一受外力就开始流动； 在一定温度下，剪切应力与剪切速率的比值是常数，不随在一定温度下，剪切应力与剪切速率的比值是常数，不随剪切速率而变化。动力粘性系数剪切速率

2、而变化。动力粘性系数 ，剪应力与变形剪应力与变形速率满足线性关系。速率满足线性关系。 气体、水、轻质成品油和高温时的原油等。气体、水、轻质成品油和高温时的原油等。const 不满足牛顿内摩擦定律的流体称为不满足牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体非牛顿流体，即剪，即剪应力与变形速率不满足线性关系。应力与变形速率不满足线性关系。 在工业中广泛存在着非牛顿流体，如：在工业中广泛存在着非牛顿流体，如： 高含蜡或沥青质的易凝原油、高含蜡或沥青质的易凝原油、 钻井用的钻井液、钻井用的钻井液、 采油用的增粘液或降粘液，采油用的增粘液或降粘液， 各种高分子溶液。各种高分子溶液。 剪切变形规律、流动规律都与牛顿

3、流体有别。剪切变形规律、流动规律都与牛顿流体有别。 流变特性流变特性：流体在温度一定及没有湍流的情况下，所：流体在温度一定及没有湍流的情况下，所承受的剪切应力与产生的垂直于剪切面的剪切速率之间的承受的剪切应力与产生的垂直于剪切面的剪切速率之间的关系，即流体变形与外加应力之间的关系。关系，即流体变形与外加应力之间的关系。 在非牛顿流体中，根据其流变特性是否随剪切的持续在非牛顿流体中，根据其流变特性是否随剪切的持续时间或变形的程度不同而变化，分为与时间无关和与时间时间或变形的程度不同而变化，分为与时间无关和与时间有关两类。有关两类。用实验方法用实验方法建立建立按流变曲线结合按流变曲线结合理论分析理

4、论分析这种关系可用这种关系可用流变曲线流变曲线或或流变方程流变方程来表示。来表示。与时间无关：剪切速率改变，平衡结构无滞后地随之变化，变化是瞬时的、可逆的变化；与时间有关：流变特性对剪切速率变化的响应是滞后的，与剪切力作用时间长短有关，变化过程不可逆。流变曲线流变曲线1牛顿流体；牛顿流体； 2塑性流体（宾汉流体）；塑性流体（宾汉流体）；3假塑性流体（拟塑性流体）；假塑性流体（拟塑性流体）； 4胀塑性流体；胀塑性流体；5屈服屈服-假塑性流体（具有触变性，与时间有关）。假塑性流体（具有触变性，与时间有关）。2、3、4属于：与时间无关的非牛顿流体。属于：与时间无关的非牛顿流体。1直线直线4幂函数幂函

5、数3幂函数幂函数2直线直线5yuddO2. 2. 与时间无关的非牛顿流体与时间无关的非牛顿流体在一定的剪切速率下，其结构破坏和恢复在很短的时间内在一定的剪切速率下，其结构破坏和恢复在很短的时间内就能平衡的复杂混合物，都属于此类。就能平衡的复杂混合物，都属于此类。（1 1）塑性流体（宾汉流体）塑性流体（宾汉流体） 所加外力较小时，流体虽有一定的弹性变形，但并不流动，所加外力较小时，流体虽有一定的弹性变形，但并不流动，只有外力增大到足以破坏其结构强度时，才开始流动；只有外力增大到足以破坏其结构强度时，才开始流动； 剪切应力与剪切速率呈直线关系变化。剪切应力与剪切速率呈直线关系变化。 油漆、油墨、牙

6、膏、泥浆、沥青、稀润滑油脂和低温下的油漆、油墨、牙膏、泥浆、沥青、稀润滑油脂和低温下的易凝原油等易凝原油等 液体开始流动时的剪切应力称为极限剪切应力。液体开始流动时的剪切应力称为极限剪切应力。流变流变方程方程：yudd0塑性粘度塑性粘度流变曲线流变曲线2直线直线（2 2）假塑性流体（拟塑性流体）假塑性流体（拟塑性流体） 一受外力即可流动；一受外力即可流动； 流变曲线通过坐标原点；流变曲线通过坐标原点； 在中等剪切速率范围内，剪切应力与剪切速率的比值不是在中等剪切速率范围内，剪切应力与剪切速率的比值不是定值，而是随剪切速率的增加，曲线的斜率减小，符合幂定值，而是随剪切速率的增加，曲线的斜率减小，

7、符合幂定律的关系。定律的关系。 高分子溶液、悬浮液，易凝原油在低于反常点时。高分子溶液、悬浮液，易凝原油在低于反常点时。 流变方程流变方程：在中等剪切速率范围内，实用的表达式是：在中等剪切速率范围内，实用的表达式是幂定律方程幂定律方程流变曲线流变曲线3幂函数幂函数nyuKdd稠度系数，表明流体的粘稠稠度系数，表明流体的粘稠程度程度流变行为指数，表明偏离牛流变行为指数，表明偏离牛顿流体的程度。顿流体的程度。假塑性流体，假塑性流体，) 1( n（3 3）胀塑性流体）胀塑性流体 其流变特性与假塑性流体相反；其流变特性与假塑性流体相反； 粘度随剪切速率的增加而增大，静止时则恢复原状。粘度随剪切速率的增

8、加而增大，静止时则恢复原状。 浓淀粉溶液、色料和某些悬浮液等。浓淀粉溶液、色料和某些悬浮液等。 流变方程流变方程：幂定律方程，：幂定律方程，流变曲线流变曲线4幂函数幂函数nyuKdd稠度系数，表明流体的稠度系数，表明流体的粘稠程度粘稠程度流变行为指数，表明偏离牛流变行为指数，表明偏离牛顿流体的程度。顿流体的程度。胀塑性流体，胀塑性流体，) 1( n表观粘度表观粘度 动力粘性系数动力粘性系数 ，也称为动力粘度。对于牛顿流体，也称为动力粘度。对于牛顿流体， 才能严格地称为粘度，其值只随温度和压力变化而与剪切才能严格地称为粘度，其值只随温度和压力变化而与剪切速率无关。速率无关。 对于非牛顿流体，需要

9、用两个或更多的参数来表达其对于非牛顿流体，需要用两个或更多的参数来表达其粘稠程度，为了借用牛顿流体的计算方法，很多文献上采粘稠程度，为了借用牛顿流体的计算方法，很多文献上采用了用了“表观粘度表观粘度”的概念。的概念。 表观粘度：剪切应力与剪切速率的比值。表观粘度：剪切应力与剪切速率的比值。非牛顿流体非牛顿流体的表观粘度是随剪切速率而变化的的表观粘度是随剪切速率而变化的。yuadd表观粘度与剪切速率的关系表观粘度与剪切速率的关系塑性流体塑性流体：表观粘度表观粘度 随剪切速率随剪切速率 的增大而减小。的增大而减小。yuadd0假塑性流体假塑性流体 ：表观粘度随剪切速率的增大而减小。：表观粘度随剪切

10、速率的增大而减小。) 1( n1ddnayuKayu/dd胀塑性流体胀塑性流体 ：表观粘度随剪切速率的增大而增大。：表观粘度随剪切速率的增大而增大。) 1( n3. 3. 与时间有关的非牛顿流体与时间有关的非牛顿流体凡是流变特性随剪切作用时间的延续而变化的流体，都属凡是流变特性随剪切作用时间的延续而变化的流体，都属于于与时间有关的非牛顿流体与时间有关的非牛顿流体。 触变性流体：触变性流体： 在一定的剪切速率作用下，剪切应力随剪切作用时间在一定的剪切速率作用下，剪切应力随剪切作用时间的延续而下降的流体。的延续而下降的流体。 反触变性流体（震凝性非牛顿流体）：反触变性流体（震凝性非牛顿流体）： 在

11、一定的剪切速率下，剪切应力随剪切作用时间的延在一定的剪切速率下，剪切应力随剪切作用时间的延续而增大的流体。续而增大的流体。（1 1）触变性流体）触变性流体 在工程计算中，常用的是剪切趋于稳定时（即时间趋于在工程计算中，常用的是剪切趋于稳定时（即时间趋于无穷大）的流变曲线，称为无穷大）的流变曲线，称为平衡流变曲线平衡流变曲线。 在恒定的剪切速率下，其剪切应力随剪切作用时间的延续而在恒定的剪切速率下，其剪切应力随剪切作用时间的延续而下降；下降； 经过一段时间的剪切后，经过一段时间的剪切后， 才趋于稳定；才趋于稳定； 触变曲线触变曲线 ；)(tf 剪切应力为剪切速率和剪切持续时间的函数剪切应力为剪切

12、速率和剪切持续时间的函数tyuf,dd 流变曲线流变曲线是以一定的剪切持续时间为参变量的一组是以一定的剪切持续时间为参变量的一组 曲线。曲线。yudd触变曲线触变曲线某原油的触变曲线，某原油的触变曲线，油气储运工艺油气储运工艺蔡春知蔡春知15t13dd syu触变性流体的流变曲线触变性流体的流变曲线平衡流变曲线平衡流变曲线在一定剪切速率下，其剪切应力随外力作用时间在一定剪切速率下，其剪切应力随外力作用时间的延续而下降，最后达到平衡。的延续而下降，最后达到平衡。屈服屈服- -假塑性流体（触变性流体的一种）假塑性流体（触变性流体的一种）温度低于和接近凝点的含蜡原油，以及具有一定结构强度温度低于和接

13、近凝点的含蜡原油，以及具有一定结构强度的假塑性流体都具有触变性，称为的假塑性流体都具有触变性，称为屈服屈服- -假塑性流体假塑性流体。 当外力足以破坏其结构强度时，才开始流动；当外力足以破坏其结构强度时，才开始流动； 开始流动后，其流变曲线的斜率随剪切速率的增大而减小；开始流动后，其流变曲线的斜率随剪切速率的增大而减小； 呈现触变性，在一定剪切速率下，其剪切应力随外力作用呈现触变性，在一定剪切速率下，其剪切应力随外力作用时间的延续而下降，最后达到平衡。时间的延续而下降，最后达到平衡。 流变方程流变方程：流变曲线流变曲线5nyuKdd0) 1( n（2 2）反触变性流体（震凝性非牛顿流体）反触变

14、性流体（震凝性非牛顿流体） 在恒定的剪切速率下，其剪切应力随剪切时间的延续而增在恒定的剪切速率下，其剪切应力随剪切时间的延续而增大到一个最大值，静止一段时间后又下降，甚至恢复其初大到一个最大值，静止一段时间后又下降，甚至恢复其初始值；始值； 例如，某些浓淀粉溶液、鸡蛋白。例如，某些浓淀粉溶液、鸡蛋白。4. 4. 粘弹性非牛顿流体粘弹性非牛顿流体剪切应力同时依赖于剪切速率和变形程度的非牛顿流体。剪切应力同时依赖于剪切速率和变形程度的非牛顿流体。 既具有与时间有关的非牛顿流体的全部流变性质；既具有与时间有关的非牛顿流体的全部流变性质； 又具有部分弹性恢复效应的物料的性质。又具有部分弹性恢复效应的物料的性质。 豆荚植物胶、田菁粉、聚丙烯酰胺等。豆荚植物胶、田菁粉、聚丙烯酰胺等。既具有粘性，又具有弹性，表现为：既具有粘性，又具有弹性，表现为： 挤出胀大现象；挤出胀大现象； 回弹现象；回弹现象； 爬杆现象爬杆现象，无管虹吸现象等，无管