非牛顿流体
《力学与实践》1998年20卷1期
牛顿在1687年公布了用水作为驱动介质的一维剪切流动的实验数据。实验操作是在两块平行平板间注满水的情况下展开的，具体如图1所示，下方的平板保持静止状态，上方的平板在其所在平面内以恒定速度U向右移动。在这种情况下，紧贴上下两块平板的流体微元的速度分别是U和0，两块平板之间的速度呈现线性变化。通过这个实验，最终推导出了广为人知的牛顿粘性定律。
斯托克斯在1845年,以牛顿的实验定律为出发点,提出了三个基本前提,即应力张量与应变率张量之间存在线性关系,流体表现出各向同性特性,流体处于静止状态时应变率等于零,基于这些假设,他推导出了被广泛运用的线性本构方程,同时也得到了现已成为流体力学核心的纳维-斯托克斯方程。后续研究揭示,牛顿关于粘性的规则,以及由此形成的纳-斯公式,在说明类似水和空气这种分子数量少的介质时能够适用,但在说明分子数量多的介质时就不再恰当了,那时剪切力与形变速度之间已不再符合直线关联。为了加以区分,凡剪应力同剪切应变率之间呈现正比关系的流体,称作牛顿流体,至于那些不具备这种正比关系的流体,则归类为非牛顿流体。
远古时代人类尚未诞生,非牛顿流体就已形成,因为当前认知中的绝大多数生物体液均归类为非牛顿流体性质。人体内的血液、淋巴液、腔隙液等众多液体,以及类似细胞质的胶状物质,都属于非牛顿流体范畴。如今在医疗机构进行血液化验的一项内容，已经不再是称作“血液粘稠度检测”，而是叫做“血液流变学检测”（缩写为血流变）。之所以出现这种变化开yunapp体育官网入口下载手机版，是因为血液的剪切力与剪切变形速率之间不再呈现直线关联，无法仅用一个斜率（即粘度值）来描述血液的力学性质，因此需要实施血液流变学检测，测定三个数据点，从而得出剪切力与剪切变形速率之间的非线性曲线关联。
近些年,推动非牛顿流体研究快速进步的关键因素之一,源自聚合物工业的进步。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各类工程塑料、化纤的熔体、溶液等,均属于非牛顿流体类别。
石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、涂料、油墨、牙膏、家蚕丝溶液、钻井用的清洗液和完成液、磁流体、部分感光材料的浸渍液、泡沫、液晶、含沙量大的水流、泥石流、地幔等物质，同样属于非牛顿流体。
非牛顿流体在食品领域应用广泛,例如番茄汁、淀粉溶液、蛋清液、苹果糊、蔬菜汤、糖浆、酱油汁、果酱体、炼乳液、琼脂凝胶、土豆糊、融化的巧克力、面团块、米粉团块,还包括鱼糜、肉糜等混合食品。
根据总结,日常生活中以及工业制造中,遇到的所有高分子溶液、熔体、膏状物、凝胶体、交联系统、悬浮系统等具有复杂特性的流体,几乎都属于非牛顿流体类型。偶尔为了工业制造需求,在某种牛顿流体里,掺入一些聚合物,在提升其特性的同时,也将其转变为非牛顿流体,例如用于增加石油开采量的压裂液、新型润滑材料等。
如今开元ky888棋牌官方版，一些黏性很强的液体，比如血液、果汁、蛋白、黄油等，还有牙膏、原油、污泥、涂料以及由聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等聚合物构成的溶液，这些非牛顿流体，也被称作柔性材料。
非牛顿流体的奇妙特性有
当非牛顿流体被驱使从一个宽泛的容器中,注入一根细小的通道,然后从通道中排出来时,能够观察到喷出的流束宽度比通道宽度要宽。流束宽度与通道宽度之间的比率,被称为喷嘴扩展系数(又称为挤出胀大比)。对于牛顿流体,这个系数取决于雷诺数,其数值大约在0.88到1.12的范围之内。然而对于高分子熔体或者高浓度的液体混合物,这个系数要大得多,有时甚至可以达到10以上。一般来说,模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数。
模片在口模设计中的膨胀情况值得关注。聚合物熔体从带矩形横截面的管道流出时，长边方向的膨胀程度远超短边方向。特别是在长边的中点位置，膨胀最为严重。所以，若要确保成品横截面为矩形，口模轮廓不能采用直角矩形开元ky888棋牌官网版，而需设计成各边向内凹陷的样式。
这种现象涉及射流膨胀,有时被称为Barus效应,有时又叫做Merrington效应。
2.爬杆效应
1944年,Weissenberg在英国伦敦帝国学院,进行了一次引人注目的实验,研究对象是含有黏弹性物质,这种物质属于非牛顿流体类型,在一个杯子中,放置了这种物质,然后转动一根实验用的棒,对于牛顿流体,离心力会使液面呈现出向下的凹陷状态,而对于黏弹性流体,情况则完全不同,这种物质会向杯子的中心移动,并且沿着实验棒向上攀爬,液面会变成凸起的形状,即使在实验棒转动速度较慢的时候,也能看到这一现象。
爬杆现象又叫做Weissenberg效应。在构思搅拌器时,需要顾及到爬杆现象的作用。另外,在规划非牛顿类流体的输送装置时,也应当顾及并运用这种现象。
3.无管虹吸
牛顿流体在虹吸实验中,一旦虹吸管被从液面提起,虹吸作用就会立刻中断。然而,对于高分子液体,例如聚异丁烯的汽油混合物以及百分之一的POX水溶液,或者聚醣在水里形成的稀薄凝胶体系,它们却很适合进行无需管道的虹吸演示。当缓慢地将管子从容器中移开时,可以观察到尽管管子已经脱离了液体,但液体依然会持续不断地从杯子里被吸出,并继续进入管内。甚至更为简便,无需借助虹吸管,只需微微倾斜盛满该液体的容器,让液体自然滴落,一旦这个动作启动,就会持续不断,直至容器内的液体完全耗尽。这种无需管道就能持续流动的现象,正是合成纤维之所以具备可加工性的根本原因。
4.湍流减阻
非牛顿流体还具备一种奇特的现象,即湍流时的阻力降低。实验发现,往牛顿流体里掺入微量聚合物,当流动速度不变时,压力差会出现明显下降。湍流问题长期是理论物理和流体力学领域的难点。但有趣的是,在牛顿流体中加入少量高分子材料,却能产生阻力减小的情况。有消息指出：添加了聚合物辅助剂，发现脉冲间隔变长了，推测是高分子链的影响。
减阻现象又名Toms效应,尽管其机理尚未完全明了,却已展现出显著的实际价值。向消防用水中掺入微量聚乙烯氧化物,能令消防车水枪射出的水柱高度增加两倍以上。采用高分子化合物作为添加剂,亦可优化空化现象的发生机制及其造成的损害。
非牛顿流体除了具备前述几种引人注目的特性外,还拥有一些备受关注的独特表现,例如可以拉扯成细丝般的形态、在受力时粘度降低、液滴间存在液柱连接、以及流动时产生弹回现象。
非牛顿流体的特性关乎众多工业领域的制作流程、器械运用、生产效能及产品品质,也与人类日常起居及身体状况息息相关,因此正吸引着科研人员的广泛关注。1996年8月,在日本京都国际会议中心举办的第19届国际理论与应用力学大会(IUTAM)中,非牛顿流体动力学被列为六大核心议题之一,并且在流体力学研究范畴内获得了最为热烈的参与响应。Grochet提交的报告主张,聚合物溶液与熔体的性质同牛顿流体差别极大,而且他视这些特殊性质为极具难度的研究领域。
