非牛顿流体的传递过程特性2014-1

1、非牛顿流体的传递过程特性非牛顿流体的传递过程特性讲课人：讲课人：000办公室：办公室：000电话：电话：000Email：000000上课安排上课安排 总计：总计：40学时，学时，2014年第一学期：第年第一学期：第316周周(共共14次次)，每周四，每周四18:0020:25其中其中:国庆节放假国庆节放假1次，实验次，实验4次，考试次，考试1次次(第第16周周)（开（开卷）。实际讲课：共卷）。实际讲课：共78讲（含复习）。讲（含复习）。考试考试70分分,课堂作业与实验课堂作业与实验30分分.主要参考书主要参考书1、化工原理化工原理上册上册2、非牛顿流体的流动、混合和传热非牛顿流体的流动、混合

2、和传热王凯编著，浙江大王凯编著，浙江大 学出版社学出版社3、实用流变测量学实用流变测量学Gebhard Schramm著，李晓晖译著，李晓晖译 石油工业出版社石油工业出版社4、化工流体力学化工流体力学戴干策、陈敏恒著，化学工业出版社戴干策、陈敏恒著，化学工业出版社5、混合设备设计混合设备设计王凯、冯连芳著，机械工业出版社王凯、冯连芳著，机械工业出版社6 非牛顿流体力学及其运用非牛顿流体力学及其运用沈仲棠、刘鹤年编北京高等沈仲棠、刘鹤年编北京高等 教育出版社教育出版社第一章第一章 非牛顿流体的基本性质非牛顿流体的基本性质 第二章第二章 描述非牛顿流体的基本方程描述非牛顿流体的基本方程本构方程本构

3、方程第三章第三章 纯粘性非牛顿流体的流动纯粘性非牛顿流体的流动第四章第四章 流变测量流变测量粘度测量粘度测量 第五章第五章 非牛顿流体的管内传热（自学为主）非牛顿流体的管内传热（自学为主）第六章第六章 悬浮液流变学悬浮液流变学 第七章第七章 粘弹性流体的流变特性粘弹性流体的流变特性 第八章第八章 非牛顿流体在搅拌釜中的流动及传热非牛顿流体在搅拌釜中的流动及传热 非牛顿流体的传递过程特性非牛顿流体的传递过程特性第一章第一章 非牛顿流体的基本性质非牛顿流体的基本性质 1.1 什么是非牛顿流体什么是非牛顿流体要求：了解非牛顿流体的要求：了解非牛顿流体的基本定义、基本定义、基本特征、基本类型基本特征、

4、基本类型问题问题1)流体在直管中流动的阻力流体在直管中流动的阻力hf (化工原化工原理理) (见下图）见下图）现实工程设计中的问题：现实工程设计中的问题： hf=? hf=（L/d）u2/2d/2u =? =?摩擦阻力系数摩擦阻力系数图图d层流：层流：=64/Re;=64/Re;湍流：湍流：=f(Re,/d)=f(Re,/d)层流层流or湍流湍流? ? =？Re=ud/Re=ud/问题问题2)直管中管壁的传热膜系数直管中管壁的传热膜系数h(or )（换热器设计）（换热器设计） 湍流湍流: :h(or )=0.023 Re0.8Pr0.4 Re=ud/ud/ Pr=cp/ /问题问题3)颗粒在液

5、体中的沉降速度（旋风分离器设计）颗粒在液体中的沉降速度（旋风分离器设计）同一个问题：同一个问题： =？=？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? 泥浆泥浆? 油漆？油漆？.例如：例如： 试计算试计算20C的水与的水与0.5%聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAM）水）水溶液在管内径为溶液在管内径为10mm直管内以直管内以10m/s和和1m/s的速度流动的速度流动时的流动雷诺数。时的流动雷诺数。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 （实验测量）（实验测量） 粘度粘度=？在相同温度下（在相同温度下（20C），），不同流速不同流速测量：测量：本课的目的本课的目的: 了解在物性手册上不能确定粘度值的流体了解在物性手册上不能确定粘度值的流体(非牛顿流体非牛顿流体)的流动的流动(与传热与传热)的基本特征。的基本特征。非牛顿流体非牛顿流体!为什么？为什么？类似物体：巧克力、涂料、润滑脂、鸡蛋清类似物体：巧克力、涂料、润滑脂、鸡蛋清粘度不是物性，在物性手册上没有粘度的值。粘度不是物性，在物性手册上没有粘度的值。聚合物熔体粘度：聚合物熔体粘度：103-106 cPReRe差差103倍，层流倍，层流or湍

8、流湍流? ? 1-1-1 什么叫流体（什么叫流体（Fluid）简言之：流动的物体。简言之：流动的物体。严格讲：任何微小严格讲：任何微小剪切力剪切力作用都能连续变形的作用都能连续变形的物质。物质。( (受拉伸等不在此课讲受拉伸等不在此课讲) )空气中单个分子运动不叫流动，空气运动叫流动空气中单个分子运动不叫流动，空气运动叫流动 如：一块石头滚动，不叫流动；泥石流（大如：一块石头滚动，不叫流动；泥石流（大量石头）运动，叫流动。量石头）运动，叫流动。3)假设为无空隙的连续体假设为无空隙的连续体2)只研究流体质点（大量分子）宏观运动只研究流体质点（大量分子）宏观运动1)流体由大量分子（质点）组成流体由

9、大量分子（质点）组成三个特点三个特点 :1-1-2 什么叫牛顿流体什么叫牛顿流体Y牛顿粘性定律（化工原理）（内摩擦定律）：两流体层之间牛顿粘性定律（化工原理）（内摩擦定律）：两流体层之间单位面积上的内摩擦力（单位面积上的内摩擦力（剪应力剪应力）与垂直于流动方向的与垂直于流动方向的速速度梯度度梯度成正比。即：成正比。即： a)a)剪切应力剪切应力: :作用面 积剪切2PamN力AF在在F F作用下，平板以作用下，平板以U0沿沿x方向运动，平板下面的方向运动，平板下面的流体将随平板向流体将随平板向x方向运动方向运动 (原因原因?)dydu比例系数，叫粘性系数，或动力粘度比例系数，叫粘性系数，或动力

10、粘度简称粘度（简称粘度（viscosity）几个重要名称几个重要名称:流体对平板的流体对平板的反反作用力（分子碰撞等）作用力（分子碰撞等）dydu沿与流动方向垂直（法向）方向流体速度随沿与流动方向垂直（法向）方向流体速度随位置位置的的变化率变化率b)b)速度梯度：速度梯度：yUU12见前图见前图y0c)c)粘度粘度：表征：表征剪切应力与速度梯度的关系剪切应力与速度梯度的关系对对牛顿流体牛顿流体粘度：粘度： 速度梯度剪切应力dydu=常数常数, ,无关or与与流体对平板的流体对平板的反反作用力（分子碰撞等）的大小，作用力（分子碰撞等）的大小，即流体粘性的大小可用即流体粘性的大小可用（ （粘度）表

11、示。粘度）表示。 空气空气(很小很小)；沥青；沥青(很大很大)；水；水(居中居中)。对不同的流体，要保证相同的速度变化对不同的流体，要保证相同的速度变化(变形变形)，所施加的力所施加的力F F是不同的。是不同的。（如图）（如图）空气空气水水 沥青沥青 沥青沥青水水空气空气定义：牛顿流体定义：牛顿流体 - -满足牛顿粘性定律（线性满足牛顿粘性定律（线性) )的流体。的流体。 注意注意: :直线过零点直线过零点! ! 牛顿流体在恒定温度下，牛顿流体在恒定温度下，为一确定值为一确定值常见物质常见物质20下的粘度（下的粘度（）值）值 厘泊厘泊cP 空气空气汽油汽油水水水银水银纯甘油纯甘油沥青沥青1.8

12、110-20.651.0051514991081-1-3 什么是非牛顿流体什么是非牛顿流体（Non-Newtonian Fluid）/0 or 0 or / 00 在温度恒定，其他条件恒定下：在温度恒定，其他条件恒定下： =f(=f(du/dy)=g()=g()不满足牛顿粘性定律的流体，或者剪切应力与速度梯度不满足牛顿粘性定律的流体，或者剪切应力与速度梯度不是正比关系不是正比关系( (非线性非线性）的流体，或者比例系数（粘度）的流体，或者比例系数（粘度）不是常数，而是与不是常数，而是与或dydu有关的流体有关的流体,即即:对不同的非牛顿流体，有不同的对不同的非牛顿流体，有不同的f()的形式，如

13、图的形式，如图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变形速率剪切变形速率等等牛顿牛顿流体流体非牛顿非牛顿流体流体牛顿流体实际是非牛顿流体中的一种特例。牛顿流体实际是非牛顿流体中的一种特例。 流变学（流变学（Rheology）.（流动与变形速率（变形）之间的关系）（流动与变形速率（变形）之间的关系）之间关系的科学变形率与研究流体)()(ordydu叫叫表观粘度表观粘度，牛顿流体，牛顿流体a= cont.a定义之间的关系与确定研究方法)(:or1-1-4 1-1-4 常见的非牛顿流体常见的非牛顿流体 1、巧克力类食品工业中的糊状物，浓悬浮液，、巧克力类食品工业中的糊状物

14、，浓悬浮液，乳浊液，人造奶油、乳浊液，人造奶油、生面团、鸡蛋清生面团、鸡蛋清 11、印刷油墨、圆珠笔油墨、印刷油墨、圆珠笔油墨.10、搪瓷釉浆、搪瓷釉浆9 9、发酵液、发酵液 8、纸浆、纸浆7、油漆、涂料、油漆、涂料6、大多数高分子溶液和聚合物熔体、大多数高分子溶液和聚合物熔体5、污泥、泥浆、石油工业中钻井泥浆、污泥、泥浆、石油工业中钻井泥浆4、牙膏，化妆品、洗涤剂、牙膏，化妆品、洗涤剂3、润滑脂、润滑油等、润滑脂、润滑油等2、生物流体：血液、呼吸系统中的粘液、关节液、生物流体：血液、呼吸系统中的粘液、关节液1-2 非牛顿流体的基本类型非牛顿流体的基本类型1-2-1 假塑性流体假塑性流体pse

15、udoplastic Fluid 特点如下：特点如下： 剪切变稀剪切变稀shear-thinning例如例如: :在聚合反应釜内，在有机械搅拌在聚合反应釜内，在有机械搅拌（即有剪切下）物料的粘度为（即有剪切下）物料的粘度为2000cP可可以从釜内放出。如停止搅拌（没有剪切）以从釜内放出。如停止搅拌（没有剪切）则物料粘度可达则物料粘度可达20000cP以上，很难从釜以上，很难从釜内放出。内放出。 常见流体：大多数高分子熔体，聚合物溶液。常见流体：大多数高分子熔体，聚合物溶液。现象：流速越大（速度梯度越大），现象：流速越大（速度梯度越大），粘度越小，流动越快。粘度越小，流动越快。1-2-2 胀（涨

16、）塑性流体（胀（涨）塑性流体（Dilatant） 特点如下：特点如下： 胀塑性胀塑性:剪切变稠，剪切变稠，流速越大（速度梯度越大），流速越大（速度梯度越大），粘度越大，流动越粘度越大，流动越慢慢例：和芝麻酱，用勺搅拌，例：和芝麻酱，用勺搅拌，是快搅好搅，还是慢搅好搅？是快搅好搅，还是慢搅好搅？ 常见流体：淀粉液，芝麻酱。常见流体：淀粉液，芝麻酱。固体体积分率固体体积分率4047%的固的固液悬浮液等。液悬浮液等。1-2-3 宾汉（宾汉（Bingham）流体）流体塑性流体塑性流体 p广义宾汉流体广义宾汉流体特点如下：特点如下： 0 0 流动流动如：牙膏、泥浆如：牙膏、泥浆1-2-4 依时性流体依时

17、性流体 除除 外，外， aa还与剪切时间还与剪切时间t有关有关w与固体类似，当外力撤除后，流体的部分与固体类似，当外力撤除后，流体的部分变形会恢复，像弹簧一样。而部分变形不变形会恢复，像弹簧一样。而部分变形不恢复，同时具有粘性变形。如聚丙烯酰胺恢复，同时具有粘性变形。如聚丙烯酰胺水溶液从管中流出时，如果关闭阀门流出水溶液从管中流出时，如果关闭阀门流出的部分流体会从管口收缩回管内。的部分流体会从管口收缩回管内。（1）粘弹性流体）粘弹性流体(visco-elastic Fluid)（2）触变流体（）触变流体（Thixot-ropic Fluid） 恒定剪切速率恒定剪切速率 ，外力作用时间，外力作用

18、时间t越长，粘度变小。越长，粘度变小。停止作用，粘度又变大。停止作用，粘度又变大。aat tt t0=0如：涂料、番茄酱等。如：涂料、番茄酱等。用涂料刷墙，要慢刷（用涂料刷墙，要慢刷（? ?）。）。 1（3）反触变流体震凝流体）反触变流体震凝流体 如：饱和树脂，比较少见。如：饱和树脂，比较少见。 aat t0=01-3 非牛顿流体的某些流动现象非牛顿流体的某些流动现象 1-3-1管内剪切变稀现象管内剪切变稀现象 牛顿流体牛顿流体 CMC水溶液水溶液 从注射器流出从注射器流出 （假塑性流体）假塑性流体）判断哪个是牛顿判断哪个是牛顿? ?提示：出口提示：出口ReRe？1-3-2 爬杆现象（韦森堡效

19、应）爬杆现象（韦森堡效应）Weissenberg Effect 1944年发现年发现 牛顿流体牛顿流体 PAM水溶液水溶液（粘弹性流体）（粘弹性流体）搅拌实验搅拌实验(传热面变传热面变?)1-3-3 挤出胀大和弹性回复挤出胀大和弹性回复 牛顿流体牛顿流体PAM水溶液水溶液 1-3-4 无管虹吸无管虹吸 PAM水溶液水溶液牛顿流体牛顿流体 无管虹吸无管虹吸演示演示1-3-5 尤伯拉效应尤伯拉效应 牛顿流体牛顿流体气泡气泡PAM水溶液水溶液 1-3-6 减阻效应减阻效应 （Toms Effect）1948年发现年发现 例如：在消防车中加入少量例如：在消防车中加入少量PAM(几十个几十个ppm)可使

20、水龙头喷射高度增加可使水龙头喷射高度增加1/3以上。以上。 1-3-7 搅拌槽中的反向次流搅拌槽中的反向次流 牛顿流体牛顿流体PAM水溶液水溶液 1-3-8 电流变现象电流变现象 在强电场下，液体内形成在强电场下，液体内形成链状结构链状结构, ,粘度增高，变为粘塑性固粘度增高，变为粘塑性固体，不流动。去电场后，极短时间内恢复为原状，又可活动。体，不流动。去电场后，极短时间内恢复为原状，又可活动。 演示演示1,2,3,41,2,3,4（视频文件）（视频文件）其它现象其它现象 对上述现象的解释对上述现象的解释 剪切变稀剪切变稀：静止静止 流动流动静止静止 流动流动静止静止 流动流动静止静止 流动流

21、动高分子溶液的分子缠结理论：高分子溶液的分子缠结理论：牛顿流体牛顿流体 粘弹性流体粘弹性流体 由高分子的弹性产生的法向应力所致。像橡皮圈，受力后拉由高分子的弹性产生的法向应力所致。像橡皮圈，受力后拉伸，撤离后分子形态要恢复，具有伸，撤离后分子形态要恢复，具有“记忆记忆”能力。如图能力。如图 静止时大分子互相缠结，流动时大分子的缠结点静止时大分子互相缠结，流动时大分子的缠结点减少，分子变直，流动阻力减少，减少，分子变直，流动阻力减少，。爬杆现象爬杆现象：法向应力可以说明法向应力可以说明3，4，7等现象。对非牛顿流体流动等现象。对非牛顿流体流动现象的解释并不是非常令人信服的。需进一步研究。现象的解

22、释并不是非常令人信服的。需进一步研究。例如：例如：胀塑性流体胀塑性流体“吸干吸干”效应高固含流体效应高固含流体低剪切下，填充固体粒子之间充满液体低剪切下，填充固体粒子之间充满液体(少量少量)，润滑，润滑好，易流动好，易流动 高剪切下，变疏松，液体被吸进大空隙中了高剪切下，变疏松，液体被吸进大空隙中了, ,干固体粒干固体粒子之间由于摩擦阻力增大，难流动子之间由于摩擦阻力增大，难流动。 静止静止 流动流动例如：例如：触变性流体触变性流体高固含微粒。高固含微粒。由于微粒带有静电，形成特定的结构由于微粒带有静电，形成特定的结构 静止时静止时 流动时流动时 重新静止重新静止 静止时低剪切力静止时低剪切力

23、大，流动时有剪切力结构破坏易大，流动时有剪切力结构破坏易变形，重新静止（低剪切）结构恢复变形，重新静止（低剪切）结构恢复 不能解释，时间长短的影响。不能解释，时间长短的影响。 作业作业第二章第二章 描述非牛顿流体的基本方程描述非牛顿流体的基本方程本构方程本构方程本构方程本构方程-描述剪切力与切剪速率描述剪切力与切剪速率(速度梯度速度梯度)的关系式的关系式2、1基本名称基本名称2、11 速度梯度速度梯度/剪切速率剪切速率/剪切变形速率剪切变形速率/切变率切变率切变率：单位时间微元相邻两边之间的夹角变化切变率：单位时间微元相邻两边之间的夹角变化(形变快慢形变快慢）。）。流体微元在流动中的变形如下（受剪切力）流体微元在流动中的变形如下（受剪切力）:切变率与速度梯度相同切变率与速度梯度相同?/1 /smsmdydu速度梯度速度梯度:流动快慢流动快慢切变率：切变率：)0(limttdtdtttYyxtyxt+ tt时刻t+ t时刻e2ttytUUarctgytU