非牛顿流体的流动.ppt

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1、高等流体力学8非牛顿流体的流动水、空气和润滑油等是化学结构比较简单的低分子流体，其运动遵循牛顿内摩擦定律，即剪切应力τ与流速梯度成线性关系，如下式所示：(1)这一类流体称为牛顿流体。上式中的μ是在任意给定温度、压强条件下牛顿流体流动的特征性比例常数，此比例常数即所谓流体粘度(动力粘性系数)。8非牛顿流体的流动非牛顿流体的流动涉及国民经济的许多部门，如化工、轻工、食品、石油、水利、建筑、冶金等等。(2)含蜡原油、泥浆、油漆、高分子熔体和溶液、生物流体(动物关节液、血液、植物粘液等)、乳浊液及悬浮液等具有复杂内部结构的流

2、体，其流动一般不服从牛顿内摩擦定律，因而称为非牛顿流体。只有牛顿流体才具有一种可以严格地称之为粘度的概念，所有非牛顿流体都需要两个或两个以上参数来描述其粘稠特性。但为了方便起见，引入表观粘度(或称视粘度)η来近似描述非牛顿流体的粘稠特性。8非牛顿流体的流动8非牛顿流体的流动8.1非牛顿流体的分类及其流变方程8.2非牛顿流体的结构流8.3塑性流体的流动规律8.4幂律流体的流动规律8.5卡森流体在圆管中的结构流8.6管流研究的特性参数法8.7非牛顿流体流变性参数的测定8.1非牛顿流体的分类及其流变方程8.1.1非牛顿流体

3、的分类非牛顿流体力学的研究对象主要是流体，它要研究的是流体的流动与变形，因此，非牛顿流体力学就是研究流体流变学的科学，也可称为流体流变学。(1)材料的分类因为非牛顿流体力学研究的流体，有的既具有固体的性质(弹性)，又有流体的性质(粘性)，所以我们先从流变学观点对材料进行分类。i超硬刚体这是一种绝对刚体，也称欧几里得刚体。刚体的粘度无限大，在任何外力下不发生形变。ii弹性体在外力作用下发生形变，外力解除后，形变完全恢复。按变形和回复时间又可分为三种：(a)理想弹性体:形变和回复瞬时完成，遵守胡克定律，即应力与应变成线性

4、关系。(b)非胡克弹性体:形变和回复瞬时完成，但不遵守胡克定律。(c)高弹体:形变和回复都需要一定的时间(松弛时间)。8.1非牛顿流体的分类及其流变方程iii超流动体超流动体也称帕斯卡液体，其粘度无限小，任何微小的力都能引起大的流动。例如：液态氦ⅳ流体任何微小的外力都能引起永久变形(不可逆流动)。ⅴ塑性体应力达到一临界值时，这种物体才发生流动，且其形变完全不可逆。8.1非牛顿流体的分类及其流变方程ⅵ塑弹体这种物体在外力作用下既有塑性流动，又有弹性变形，形变不能完全回复。且以弹性形变为主，塑性流动为副。ⅶ粘弹体在外力作

5、用下既有粘性流动，又有弹性形变，形变缓慢，不遵守胡克定律，外力解除后留下永久变形。这种物体以粘性流动为主，以弹性形变为副。8.1非牛顿流体的分类及其流变方程(2)流体的分类i按照剪切应力与变形率之间的关系，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体是均匀单一的流体，而非牛顿流体一般是由液相、固相组成的混合体。ii按照有无粘性的特点，可将流体分成粘性流体和理想流体。粘性流体又可分为纯粘性流体和既具有粘性又具有弹性的粘弹性流体两大类8.1非牛顿流体的分类及其流变方程(a)纯粘性流体在撤除剪切应力后，它们在受剪切应力作用期

6、间的任何形变都不会回复；(b)而粘弹性流体在撤除剪切应力后，它们在受剪切应力作用期间所产生的形变会完全或部分地得到回复。8.1非牛顿流体的分类及其流变方程纯粘性流体与时间无关的牛顿流体假塑性流体非牛顿流体膨胀性流体宾汉流体(塑性流体)屈服-假塑性流体屈服-膨胀性流体与时间有关的触变性流体震凝性流体粘弹性流体多种类型表1粘性流体的分类本构方程是描述物质对所受力的力学响应的方程，也称为流变方程。描述流体剪切应力和流速梯度之间关系的方程，称为流体的本构方程，它只决定于流体本身的性质，是研究流动问题的前提条件，对流动问题的解

7、具有实质性的影响。由于影响非牛顿流体性质的因素比较复杂，通常采用实验方法建立剪切应力与流速梯度之间的关系曲线，称为流变曲线。8.1非牛顿流体的分类及其流变方程8.1.2与时间无关的纯粘性非牛顿流体(1)塑性流体这一类型的流体有泥浆、油漆、稀润滑脂和牙膏等。在某种程度上，这种流体是一种极端情况或理想情况，它需要有一定的剪切应力才开始流动，而当超过起动应力之后，剪切应力与流速梯度呈线性关系。原因是这类流体的结构性较强，加力后不能立即改变其牢固的网状结构，所加的力必须足以破坏其结构性，使其产生剪切变形，流体才会开始流动。8

8、.1非牛顿流体的分类及其流变方程图中θ为开始发生流动时需要克服的切应力，称为极限静切应力。τ0为直线段延长线与横轴的交点处的虚拟切应力，是为计算方便而采用的，称为极限动切应力。而θ1是曲线段与直线段交点所对应的切应力，称为极限切应力上限值。极限静切应力亦称屈服值(或屈服应力)。8.1非牛顿流体的分类及其流变方程θ1τ0dudyτ①②③④⑤θ图1