8_非牛頓流體力學.ppt

1、第九章 非牛頓流體力學,1 非牛頓流體的流變特性,2 擬塑性流體在圓管中的層流運動,3 賓漢流體在圓管中的層流運動,4 粘彈性流體在圓管中的不穩(wěn)定層流運動,5 擬塑性流體在環(huán)空中的層流運動,6 非牛頓流體在圓管中的湍流運動,彈性體：固體受力后產生彈性變形，服從虎克定律 流體：流體受力后主要產生剪切變形，變形程度與粘性大小相關。 粘性較低的 一般為牛頓流體，粘性較高的一般為非牛頓流體。 粘彈性體：有些牛頓流體不但具有粘性，還具有彈性。 流變學：研究各種流體流動過程中，剪切應力與剪切變形率關系的科學。,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,流體對機械作用的響應不僅依據于這些守恒律，而且取決于描述流體應力應

2、變關系的流變學。,非牛頓流體的結構性： 非牛頓流體在化學上屬于分散體系，一般分散相為顆粒較大的質點，根據分散相分散程度一般可分為懸濁液、膠狀液、分子溶液，靜止時具有網狀結構。 結構性的強弱不但與顆粒大小有關，還與顆粒形狀、排列方式有關，比較復雜，這種結構性對流體粘性影響很大。 實踐證明，配置時間長短、溫度變化過程、攪拌剪切歷史都影響結構性與粘度大小。,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,4/15,非牛頓流體的影響因素復雜，涉及物理化學的微觀機理，很難弄清楚，因此流體力學工作者通常管柱切應力與剪切速度之間的關系，并通過實驗的方法來繪制流變曲線。 人們花費了大量精力研究精確描述流體應力應變關系的本構方程

3、，但只得到了幾種具有近似意義的本構方程。 嚴格意義上，一種特定的本構方程只適用于一種假設的模型化的流體。因此本構關系的建立相當于定義一種假設的流體模型，即用一種近似的方法描述某一特定流體的流變行為。,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,1.1無時間依存性的非牛頓流體,1.2 有時間依存性的非牛頓流體,1.3 粘彈性非牛頓流體,1）純粘性非牛頓流體,2）粘塑性非牛頓流體,1）觸變性非牛頓流體,2）振凝性非牛頓流體,等剪切速率條件下剪切應力隨剪切時間而增大,流變特性對剪切速率變化的響應是滯后的,剪切速率超過一有限值后才流動,剪切力超過一個值時才有流動,剪切應力只與剪切速率有關,有剪切力就有流動,剪切應力

4、同時依賴于剪切速率和變形程度,具有與時間有關的非牛頓流體的全部流變性質 又具有部分彈性恢復效應的物料的性質,5/15,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,1.1無時間依存性的非牛頓流體,1）純粘性非牛頓流體,K為稠度系數,n為流動指數 n ,=,1,這兩個系數均與溫度有關,6/15,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,1.1無時間依存性的非牛頓流體,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,2）粘塑性非牛頓流體,石蠟、瀝青、某些鉆井液、漂浮在空中的灰塵懸浮體、 下水道中排放的污液,7/15,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,3) 低剪切速率下介于賓漢和冪律模型之間,綜合了賓漢模型和冪律模型特點,卡森模型,赫謝爾巴克利模型

5、,羅伯遜史蒂夫模型,1.1無時間依存性的非牛頓流體,8/15,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,3) 低剪切速率下介于賓漢和冪律模型之間,綜合了賓漢模型和冪律模型特點,卡森模型,赫謝爾巴克利模型,羅伯遜史蒂夫模型,卡森模型是兩參數模型，在油漆、涂料、塑料等領域有所應用，在鉆井液中應用較少,1.1無時間依存性的非牛頓流體,油漆、涂料、塑料等領域有所應用，在鉆井液中應用較少,大部分鉆井液和某些原油為帶屈服值的擬塑性非牛頓流體,其特點是與賓漢流體一樣具有屈服值，但當應力超過屈服值時其應力應變關系是非線性的,羅伯遜史蒂夫模型屬三參數模型，表達式繁瑣，實際使用得很少,C為速度梯度修正值,9/15,第一節(jié) 非

6、牛頓流體的流變特性,1.1無時間依存性的非牛頓流體,1.2 有時間依存性的非牛頓流體,1.3 粘彈性非牛頓流體,1）純粘性非牛頓流體,2）粘塑性非牛頓流體,1）觸變性非牛頓流體,2）振凝性非牛頓流體,依時性非牛頓流體,對剪切速率變化的響應是滯后的，由于流體結構的變化極其緩慢，因此 其變化過程不可逆。 依賴于剪切速率和剪切過程的結構參數確定。,10/15,依時性非牛頓流體的流變特性對剪切速率變化的響應是滯后的，由于流體結構的變化極其緩慢，因此其變化過程不可逆。下圖給出了某種原油在剪切速率恒定條件下，剪切應力隨剪切過程進行而衰減的規(guī)律。具有以上規(guī)律的流體稱為觸變性非牛頓流體。,1）觸變性非牛頓流體

7、,1.2 有時間依存性的非牛頓流體,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,1.2 有時間依存性的非牛頓流體,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,2）振凝性非牛頓流體,假如流體在等剪切速率條件下剪切應力隨剪切時間而增大，那么我們稱之為振凝性流體。最常見的實例就是雞蛋白。盡管振凝性流體作為壓裂液是有用的，但與觸變性流體相比，振凝性流體不太常見。,第一節(jié) 非牛頓流體的流變特性,1.1無時間依存性的非牛頓流體,1.2 有時間依存性的非牛頓流體,1.3 粘彈性非牛頓流體,1）純粘性非牛頓流體,2）粘塑性非牛頓流體,1）觸變性非牛頓流體,2）振凝性非牛頓流體,(略),粘彈性非牛頓流體,粘彈性流體是指剪切應力同時依賴于剪

8、切速率和變形程度的非牛頓流體。 既具有與時間有關的非牛頓流體的全部流變性質又具有部分彈性恢復效應的物料的性質,13/15,第二節(jié) 擬塑性流體在圓管中的層流運動,邊界條件，r=R 處，V=0,控制方程,本夠關系,14/15,第二節(jié) 擬塑性流體在圓管中的層流運動,邊界條件，r=R 處，V=0,控制方程,本夠關系,15/15,第二節(jié) 擬塑性流體在圓管中的層流運動,16/15,邊界條件，r=R 處，V=0,第二節(jié) 擬塑性流體在圓管中的層流運動,17/15,第二節(jié) 擬塑性流體在圓管中的層流運動,水頭損失,擬塑性流體雷諾數,18/15,第三節(jié) 賓漢流體在圓管中的層流運動,邊界條件，r=R 處，V=0,控制方程,本夠關系,19/15,第三節(jié) 賓漢流體在圓管中的層流運動,邊界條件，r=R 處，V=0,20/15,第三節(jié) 賓漢流體在圓管中的層流運動,21/15,第三節(jié) 賓漢流體在圓管中的層流運動,邊界條件，r=R 處，V