167;2.1～2流体分类及与时间无关的粘性流体.ppt

第二章第二章 非牛顿流体的基本流变特性非牛顿流体的基本流变特性§2.1流体的流变性分类流体的流变性分类一、分散体系的概念一、分散体系的概念 非牛顿流体往往是一种非均匀分散体系所谓分散体系是指将物质（固态、液态或气态）分裂成或大或小的粒子，并将其分布在某种介质（固态、液态或气态）之中所形成的体系分散体系可以是均匀的也可以是非均匀的系统如果被分散的粒子小到分子状态的程度，则分散体系就成为均匀体系，均匀体系是由一相所组成的单相体系而非均匀分散体系是指由两相或两相以上所所组成的多相体系非均匀分散体系必须具备两个条件：1）在体系内各单位空间所含物质的性质不同；2）存在着分界的物理界面对非均匀分散体系，被分散的一相称为分散相或内相，把分散相分散于其中的一相称为分散介质，亦称外相或连续相 尽管非牛顿流体在微观上往往是非均匀的多项分散体系，或非均匀的多相混合流体，但在用连续介质理论或宏观方法研究其流变性问题时，一般可忽略这种微观的非均匀性，而认为体系为一种均匀或假均匀分散体系假均匀多相混合流体即认为分散相在分散介质中的分布是均匀的，即在非紊流的情况下分散相依靠自身的布朗运动，也能均匀分布于连续相之中。

这种从宏观尺度上研究流体流变性的方法属于宏观流变学方法 高分子聚合物类的溶液或熔体，尽管其是均匀的，但由于聚合物分子量庞大，分子结构构性复杂，也往往表现出非牛顿流体性质 二、流体的流变性分类流体的流变性分类 非牛顿流体的流变性具有多种表现，与牛顿流体相比，要复杂得多对各类流体的流变性研究表明，流变学上各类流体（包括牛顿流体）大体可划分为如表2－1所示的各种流变类型表表2－－1流体的流变性分类流体的流变性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流型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2－1中流体流变性的类型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不符合牛顿定律的为非牛顿流体，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。

高分子聚合物溶液或熔体以及浓度较高的悬浮液、乳状液一般为粘弹性流体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 若流体的流变性与时间无关，则称之为与时间无关的流体，它包括了牛顿流体和部分纯粘性流体；若流体的流变性随时间变化，则称之为与时间有关的流体，这类流体包括了部分纯粘性流体和粘弹性流体 §2.2 与时间无关的粘性流体与时间无关的粘性流体研究对象：单相流体或假均匀多相混合物流体流场：简单剪切流场研究方法：宏观方法，将实验测得的剪切应力与剪切速率之间的关系在直角坐标上用曲线表示，根据曲线的形状可判断流体的流变类型，进而回归出流变方程1 1．牛顿流体．牛顿流体 （Newtonian fluid）2．假塑性流体．假塑性流体 （（Pseudoplastic fluid）剪切稀释性 对假塑性流体，随着剪切速率或剪切应力的增加，表观粘度降低对其它类型的非牛顿流体，有的也表现出这一特点这种性质在流变学上被称为剪切稀释性（shear thinning）⑶⑶ 流变方程： 假塑性流体不象牛顿流体那样具有确定的流变方程形式，往往是有多种形式的流变方程可用于描述假塑性流体特性。

这里仅介绍工程上应用最广泛的幂律方程形式：式中，K—稠度系数，Pa·snn—幂律行为指数，亦称流变指数（无因次），对假塑性流体，0＜n＜1由流变方程，可得，由于n＜1，该公式可反映出流体剪切稀释性的特点当n=1时，上述方程变为牛顿流体方程在工程上常用幂律方程描述假塑性流体特性，原因有以下几点：①该方程一般在1~3个数量级的剪切速率范围内与实际实验数据拟合得较好只是当剪切速率很小或很大时，拟合②流变方程简单，只有两个反映流变性质的常数（非牛顿流体至少需要两个常数的流变方程，才能描述其流变行为），且这两个常数的物理意义比较明确例如，k反映了流体的粘稠程度，n（n小于1）反映了流体的剪切稀释性质，n越小，流体的剪切稀释性越强 （5）流体内部结构特点：具有以下结构特点的结构性流体往往具有假塑性流体特性，即a）内相颗粒具有不对称结构，剪切流动时，颗粒在流动方向上出现不同程度的定向；b）象乳状液，其内相颗粒在流动剪切作用下发生变形；c）存在内相颗粒的聚集体结构，在剪切流动时，这种聚集结构被不同程度地打破；d）分散相是亲液的，会出现溶剂化现象，溶剂化的颗粒在剪切作用下遭到破坏，已溶剂化的液体会不同程度地分离出来，从而使颗粒的有效体积减小，流动阻力减小；e）大分子在流动方向上不同程度地伸展。

总之，假塑性流体在流动过程中，其内部结构具有出从无序到有序的特点3．膨肿性流体（或称胀流型流体）．膨肿性流体（或称胀流型流体）Dilatant fluid特点：⑴在直角坐标系中，膨肿性流体的流变曲线为通过坐标原点且凹向剪切应力轴的曲线，如图所示 ⑵一受力就有流动，但剪切应力与剪切速率的不成比例，随着剪切速率的增大，剪切应力的增加速率越来越大，即随着剪切速率的增大，流体的表观粘度增大，这种特性被称为剪切增稠性（shear thickening）因此，膨肿性流体具有剪切增稠性⑸内部结构特点：a）剪切增稠性是流体结构从一种有序状态到无序状态的变化；b）剪切力超过了颗粒之间的胶体力，因为这种流体在自身胶体力的作用下形成有序结构的；c）具有不太低的内相浓度，且内相浓度处于一个较窄的范围内例如，淀粉大约在40~50%的浓度范围内可表现出明显的膨肿性流体特性；d）内相颗粒的尺寸分布是单分散强于多分散；e）剪切增稠性还与介质粘度和颗粒尺寸有关；f）剪切增稠性往往只产生在一定的剪切速率范围内在石油工业中，钻井时，如遇到胀流性很强的地层，将会发生卡钻的严重事故4 4．宾汉姆塑性流体．宾汉姆塑性流体 （Bingham plastic fluid ）5．屈服假塑性流体（．屈服假塑性流体（ yield pseudoplastic fluid）6．卡松流体（（Cassonian fluid）*纯纯粘粘性性非非牛牛顿顿多多相相分分散散性性流流体体流流变变方方程程的的统统一一理理论论——广广义义微分方程式微分方程式。