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牛顿流体
时间:2019-10-06 点击次数:365

一、基本简介

英文译名:Newtonian Fluid

牛顿内摩擦定律表达式:τ=μγ

式中:τ--所加的切应力;

牛顿流体演示牛顿流体演示

  牛顿流体演示

γ--剪切速率(流速梯度);

μ--度量液体粘滞性大小的物理量,简称为黏度,物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。

从流体力学的角度来说,凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体。

所谓服从内摩擦定律是指在温度不变的条件下,随着流速梯度的变化,μ值始终保持一常数。

水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体;高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。

二、具体内容

任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体。简单的牛顿流体流动是二无限平板以相对速度U相互平行运动时,两板间粘性流体的低速定常剪切运动(或库埃特流动)。

1687年,I.牛顿首先做了简单的剪切流动实验。他的实验如图所示。在平行平板之间充满粘性流体,平板间距为d,下板B静止不动,上板C以速度U在自己平面内等速平移。由于板上流体随平板一起运动,因此附在上板的流体速度为U,附在下板的流体速度为零。实验指出,两板之间的速度分布u(y)服从线性规律。作用在上板的力同板的面积、板的运动速度成正比,同间距d成反比。由此得出:

,τ=μ*du/dy (1)

式中τ为剪应力;du/dy为剪切变形速率;μ为流体动力粘性系数(即粘度)。这就是的牛顿粘性定律。凡是符合此定律的流体称为牛顿流体,否则是非牛顿流体(见非牛顿流体力学)。 假设流体是各向同性的,应力张量和变形速率张量呈线性齐次函数关系,则它们之间的一般线性关系式为:

pij=-ij+2μ(sij-δij)+μδij, (2)

式中pij为应力张量;pij=-ij+τij,P为各向同性压力,τij为偏应力张量;sij为变形速率张量;为各向同性体积变形速率张量;δij为克罗内克符号;μ┡为膨胀粘性系数。式(2)就是广义牛顿粘性定律的数学表达式。

公式(1)(2)是牛顿流体的重要标志,也是确定流体流动时必不可少的本构方程。自然界中许多流体是牛顿流体,例如水、空气等。

不论流体所受的力如何,流体都能继续流动,例如,水就是一种牛顿流体,因为不管它搅拌得多快,它都能继续表现出流体的性质。这与非牛顿流体不一样,在非牛顿流体中,只要一搅拌,后面就会出现一个"洞",或导致流体变得稀薄,黏度的下降使它流动得更多。对于牛顿流体来说,黏度只与温度和压强有关,与流体所受的力无关。

三、分类

流体按压缩性的大小分气体和液体。气体极易压缩,亦称称为可压缩流体;液体几乎不可以压缩,既称为不可压缩流体。

流体按变形特点又分为牛顿流体和非牛顿流体。

四、非牛顿流体

许多液体包括聚合物的熔体和浓溶液,聚合物分散体系(如胶乳)以及填充体系等并不符合牛顿流动定律,这类液体统称为非牛顿流体

(1)宾汉(Bingham)流体或塑性流体

特点:当切应力sτ小于某临界值sy时,根本不流动,即γ=0

当sτ>sy时,才产生牛顿流动

流动方程:sτ-sy=h·γ

油漆、沥青、大多数聚合物在良溶剂中的浓溶液属于宾汉流体。

(2)假塑性体

表观粘度:ha=sτ/γ

在流动曲线上为某一切速率γ下与原点相连直线的斜率。

聚合物在流动过程中除了产生分子链之间的不可逆粘性形变外,还产生高弹形变,表观粘度不完全反映流体不可逆形变的难易程度,仅对其流动性的好坏作一个大致性相对的比较。表观粘度大则流动性差。

幂律定律:sτ=Kγ

式中:K--稠度系数,是一种材料常数

n--流动指数或非牛顿指数

ha=Kγ

当n=1时,流动属于牛顿型,K即为粘度;

当n不等于1时,n表示该流体与牛顿流体的偏离程度,故n称为非牛顿指数;

当n<1时,属假塑性体。

稠度或微分粘度:hc=dsτ/dγ流动曲线上任意点的斜率,为该切变速率下的稠度或微分粘度。

(3)胀塑体

特点:无屈服应力,一个无限小的剪切应力就能使其开始运动。其表观粘度随切变速率的增大而增大,故称作切力增稠体。

非牛顿指数n>1

悬浮体和聚合物-填料

(4)依时性非牛顿流体

特点:指恒温、恒γ情况下,粘度随受剪时间而变化的流体。分触变体和流凝体两种。

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