牛顿流体与非牛顿流体

关于牛顿流体与非牛顿流体第一页，共十六页，编辑于2023年，星期二一、流体流变特性的分类纯粘性流体粘弹性流体与时间无关流体与时间有关流体牛顿流体假塑性流体胀塑性流体宾汉姆流体屈服假塑性流体卡森流体触变性流体反触变性流体多种类型非牛顿流体表1-1流体流变特性分类第二页，共十六页，编辑于2023年，星期二表1-1中流体流变特性是按照以下几个分类标准划分的。（1）按照流体是否符合牛顿内摩擦定律，分为牛顿流体和非牛顿流体。流变特性符合牛顿定律的为牛顿流体，牛顿流体是一种与时间无关的纯粘性流体。反之，不符合的为非牛顿流体，非牛顿流体又包括各种类型，如与时间无关和有关的流体、粘弹性流体等。（2）按照流体是否具有弹性，分为纯粘性流体和粘弹性流体。真实流体都是具有粘性的，若流体同时还具有弹性，则称之为粘弹性流体，否则为纯粘性流体。（3）按照流变性是否与时间有关，分为与时间无关的流体和与时间有关的流体。

第三页，共十六页，编辑于2023年，星期二牛顿流体的定义：当液体的流动曲线为通过座标原点的一条直线时，我们把具有这种流动性质的液体称作牛顿流体，（在一定温度下和较宽的剪切速率范围内,粘度值保持恒定的称为牛顿流体。）在牛顿流体中,剪切应力与剪切速率是成线性关系的,关系式为:二、牛顿流体:粘度或粘性系数粘度单位为，粘度数值上等于单位速度梯度下流体所受的剪应力。（一）牛顿流体的定义第四页，共十六页，编辑于2023年，星期二（二）牛顿流体的特点：1、牛顿流体流变曲线为通过原点的直线。

2、

其中，剪切应力

的单位为Pa，剪切速率

的单位为s-1，比例系数

为动力粘度，单位为

（帕秒），有时对某些粘度较小的流体，

这种单位太大，而用

（毫帕秒）

（著名的牛顿流体内摩擦定律）第五页，共十六页，编辑于2023年，星期二3、流变方程中反映流体流变特性的参数只有一个。对牛顿流体来说，其流变方程只有一种形式。4、典型的牛顿流体：水、甘油、低分子量的成品油，空气。5、牛顿流体内部结构特点：单相流体、分散相浓度很低的假均匀多相混合物流体。（三）牛顿流体曲线：

剪切应力/剪切速率=tanα=恒定值，

由于牛顿流体的流动曲线是通过座标原点的直线，因此在任一剪切速率下求得的(即粘度)均为恒定值。如前所述，牛顿流体可通过求任意剪切速率下的剪切应力而求粘度。反之，若已知粘度值，则可知该直线与横座标的夹角(tanα＝)即斜率，因此该流体的流动性就充分得到了说明。第六页，共十六页，编辑于2023年，星期二非牛顿流体的定义：当一种液体的剪切应力和剪切速率之间存在着非线性关系，粘度值随剪切应力或剪切速率的变化而改变时，这种流体则称为非牛顿流体。根据剪切应力与剪切速率关系的不同可将非牛顿流体区分为若干类型，图3-1示出了几种常见类型的非牛顿流体的剪应力与剪切速率之间的关系曲线。三、非牛顿流体图3-1流体的流变图（一）非牛顿流体的定义（二）非牛顿流体的分类第七页，共十六页，编辑于2023年，星期二

根据表1-1中非牛顿流体的粘度函数是否和剪切持续时间有关，可以把非牛顿流体分成两类：非时变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。1、非时变性非牛顿流体这类流体的切应力仅与剪切速率有关，即粘度函数仅与应变速率或（切应力）有关，而与时间无关。非时变性非牛顿流体主要包括：（1）宾汉流体：又称塑性流体，它是只当剪切应力大于某一数值时才开始流动的流体，这时体系并非全部发生形变，而是产生滑动，中间未发生变化的部分仍按原来的结构形式一起向前运动。当应力大于屈服值后，其流动性跟牛顿流体完全一样。一些浓悬浮液如糊状物、软膏、面团、淤泥等，在适当条件下可表现出这种行为。（2）剪切稀化流体：也称假塑性流体，这种流体没有屈服值，表观粘度随剪切速率增加而减小。这种粘度随剪切速率增大而减小的现象称为剪切变稀现象。

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大多数高分子溶液和乳状液具有明显的假塑性。（3）剪切稠化流体：也称胀塑性流体，与假塑性流体相反，膨胀流体的表观粘度随切变速率增加而增大，这种现象称为剪切增稠现象。一些浓稠悬浮体、蛋白质及某些高分子溶液可表现出切力增稠现象。2、时变性非牛顿流体这类流体的粘度函数不仅与应变速率有关，而且还与剪切持续时间有关。大致可分为两类：（1）触变性和流凝性流体：随着切应力作用时间的延长，表观粘度越来越小的流体叫做触变性流体；随着切应力作用时间的延长，表观粘度越来越大的流体叫做流凝性流体，这种流体在实际中非常少见。然而，在实际中我们遇到的触变性体系较多，例如：某些粘土悬浮液、陈胶、溶胶及高聚合物可表现出触变性。第九页，共十六页，编辑于2023年，星期二（2）粘弹性流体：粘弹性流体同时具有粘性液体和弹性固体的性质，哪种性质的表现程度如何要取决于外力作用时间的快慢长短。粘弹性流体除粘度函数与剪切持续时间有关外，在剪切流动中还表现出法向应力差效应。（三）非牛顿流体的流变特性（1）剪切稀化现象：粘度随剪切变形速率增大而减小，变形速率愈大，表观粘度愈小，流动性就愈好。（2）爬杆现象(韦森堡效应)第十页，共十六页，编辑于2023年，星期二

人们已经利用韦森堡效应，可以让赤裸的电线直接包裹上塑料，完全淘汰了过程复杂、成本高昂的沙包线工艺。（3）射流胀大现象：非牛顿流体被迫从一个大容器流进一根毛细管，再从毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大。如有图示：其中

De=4~5D第十一页，共十六页，编辑于2023年，星期二（4）回弹现象（5）无管虹吸现象

对牛顿流体来说，在虹吸实验时，

如果将虹吸管提离液面，虹吸马上就会停止。对于非牛顿流体一旦开始流动就不会停止，即使低于管路水平面时也不会断流。这一现象被应用于拉伸粘度的测量。也是合成纤维具备可纺性的基础。第十二页，共十六页，编辑于2023年，星期二（6）汤姆孙减阻效应1948年，汤姆(TOMS)在第1届国际流变学会议上宣布了他的减阻实验。将少量的聚甲基丙烯酸加入管内一氯代苯低分子溶液的湍流中，在一定流量下，管内流动的摩擦阻力显著下降，这一现象称为减阻现象。由下图可以看出，当流动由层流转变为湍流时，流线变密，流量增加，出现减阻现象。湍流减阻可以使流量增大，对传热、传质有利。第十三页，共十六页，编辑于2023年，星期二例如：在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车水龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。对于水工建筑、水电站建筑中的气蚀和水锤等特殊现象，用高聚物添加剂可以减轻其破坏作用。

如上图，同样动力下两幅消防水龙头喷水图，显然，加入聚乙烯氧化物后水柱变高，速度能头增大了。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页，共十六页，编辑于2023年，星期二

根据牛顿的理论牛顿流体的粘度：剪切应力/剪切速率=恒定值，我们知道了流体的粘度值都是恒定不变的，如水、酒精、轻质油等。但是实际上，通过人们的研究发现流体的粘度并不是恒定不变的，正如非牛顿流体粘度：剪切应力/剪切速率≠恒定值；即粘度是个变化量；引起其变化的常见的因素是剪切率