非牛顿型流体

 

 

非牛顿型流体  

 

服从牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于这一类。

由前已知，牛顿粘性定律的表达式为：

（1-24a）

根据速度的定义，可将速度梯度改写为：

凡不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体，非牛顿型流体在化工过程中亦属常见。这里仅简述非牛顿型流体的分类和特性，更多的内容可参阅有关方面的专著。

图1-13 牛顿流体与非牛顿流体的流变图

根据流体的流变方程式或流变田，可将非牛顿型流体分类如下：

以下按上述分类次序，对各种流体作扼要介绍。

一、与时间无关的粘性流体

对于与时间无关的粘性流体，在流变图上的τ对du/dy关系曲线或者是通过原点的曲线，或者是不通过原点的直线，如图1-13中的b、c、d诸线所示。这些关系曲线的斜率是变化的。因此，对与时间无关的粘性流体采说，粘度一词便失去意义。但是，这些关系曲线在任一特定点上也有一定的斜率，故与时间无关的粘性流体在指定的剪切速率下，有一个相应的表观粘度值，即：

（1-28）

图1-13中b、c、d曲线所代表的流体，其表观粘度μa都只随剪切速率而变，和剪切力作用持续的时间无关，故称为与时间无关的粘性流体，又可分为：

(1)假塑性(Pseudoplastic)流体 这种流体的表观粘度随剪切速率的增大而减小，τ对γ的关系为一向下弯的曲线，该曲线可用指数方程来表示：

（1-29）

大多数与时间无关的粘性流体属于此类型，其中包括聚合物溶液或熔融体、油脂、淀粉悬浮液、蛋黄浆和油漆等。

(2)涨塑性(dilatant)流体 与假塑性流体相反，这种流体的表观粘度随剪切速率的增大而增加，τ对γ的关系为一向上弯的曲线，如图1-13曲线c所示，该曲线的方程式仍可用式(1-29)来表示，但式中的n>1。

涨塑性流体比假塑性流体少得多，如玉米粉，糖溶液，湿沙和某些高浓度的粉末悬浮液等均属此类流体。

(3)宾汉塑性(Bingham plastic)流体 这种流体的τ-γ关系如图1-13的直线d所示，它的斜率固定，但不通过原点，该线的截距τ0称为屈服应力。这种流体的特性是在当剪应力超过屈服应力之后才开始流动，开始流动之后其性能象牛顿型流体一样。属于此类的流体有纸浆、牙膏和肥皂等。

塑性流体的流变特性可表示为：

（1-30）

二、与时间有关的粘性流体

在一定剪切速率下，表观粘度随剪切力作用时间的延长而降低或升高的流体．刚为与时间有关的粘性流体，其可分为：

(1)触变性(thixotropic)流体 这种流体的表观粘度随剪切力作用时间的延长而降低，属于此类流体的如某些高聚物溶液，某些食品和油漆等。

(2)流凝性(Rheopectic)流体 这种流体的表观粘度随剪切力作用时间的延长而增高，此类流体如某些溶胶和石膏悬浮液等。

三、粘弹性(Viscoelastic)流体

此类流体是介于粘性流体和弹性固体之间，它们同时表现出粘性和弹性。在不超过屈服强度的条件下，剪应力除去以后，其变形能部分地复原。属于此种流体的有面粉团、凝固汽油和沥青等