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六 非牛頓流體的流動 第六章 非牛頓流體的流動 本章將介紹幾種常見的非牛頓流體 重點研究塑性流體運動的基本規(guī)律 并討論塑性流體壓力損失計算方法及冪律流體的運動規(guī)律 六 非牛頓流體的流動 按照流體流動時的切應(yīng)力和速度梯度之間的關(guān)系 將流體分為牛頓流體和非牛頓流體 1 牛頓流體切應(yīng)力和速度梯度之間符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體 為牛頓流體 如 水 汽油 及空氣等低分子量的流體 2 非牛頓流體切應(yīng)力和速度梯度之間不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體 為非牛頓流體 如 如高分子熔體和溶液 表面活性劑溶液 石油 食品 牙膏以及含微細顆粒較多的懸浮液 分散體 乳濁液 瀝青 潤滑脂 增粘液及化工上高分子量的流體 六 非牛頓流體的流動 許多非牛頓流體常表現(xiàn)出明顯的彈性 下圖是流體的三種彈性行為 流體的彈性表現(xiàn)a 爬桿效應(yīng) b 擠出脹大 c 無管虹吸 六 非牛頓流體的流動 6 1非牛頓流體的流變性 一 流變性流體流動與變形的特性稱為流變性 流變性可用流變曲線或流變方程來表示 1 流變曲線流體切應(yīng)力與其速度梯度之間的關(guān)系曲線稱為流變曲線 2 流變方程流體切應(yīng)力與其速度梯度之間的數(shù)學(xué)表達式稱為流變方程 本構(gòu)方程 六 非牛頓流體的流動 二 牛頓流體的流變性 流變方程 特點 1 受到外力作用就流動 2 在恒溫恒壓下 與的比值為常數(shù)即粘度為常數(shù) 3 流變曲線是通過原點的直線 其斜率為動力粘度的倒數(shù) 即 六 非牛頓流體的流動 三 非牛頓流體的流變性 1 塑性流體特征 由液體及懸浮在其中的固體微粒所組成的膠狀體 如含蠟原油 牙膏 泥漿 潤滑脂等 當(dāng)塑性流體速度達到一定程度時 其流變方程可用賓漢公式表示 也稱賓漢流體 極限動切應(yīng)力 塑性粘度 表觀粘度 視粘度 六 非牛頓流體的流動 塑性流體特點 1 塑性流體的流變性與牛頓流體不同 受力后 不能立即變形流動 2 流動初期切應(yīng)力與速度梯度之間呈曲線關(guān)系 粘度隨切應(yīng)力增大而降低 隨速度梯度的增大 切應(yīng)力逐漸減弱 最后接近牛頓流體 成直線關(guān)系 流體的粘度不再隨切應(yīng)力的增加而變化 稱為塑性粘度 3 塑性流體兩個極限應(yīng)力極限靜切應(yīng)力 使塑性流體開始流動的最小切應(yīng)力 極限動切應(yīng)力 塑性流體流變曲線直線段的延長線與橫坐標(biāo)軸的交點對應(yīng)的切應(yīng)力 是塑性流體流動時經(jīng)?？朔呐c粘度和速度梯度無關(guān)的定值切應(yīng)力 常用于分析塑性流體的流動問題 4 塑性流體存在塑性粘度和視粘度 表觀粘度 六 非牛頓流體的流動 如圖示 表觀粘度隨速度梯度的增大而減小 而塑性粘度和動切應(yīng)力相對為常數(shù) 故該兩參數(shù)為反映塑性流體流變性能的重要參數(shù) 即特性參數(shù) 和可用毛細管粘度計和旋轉(zhuǎn)粘度計測定 六 非牛頓流體的流動 2 擬塑性流體 假塑性流體 高分子溶液 乳化液等 結(jié)構(gòu)性較若 受到力后就立即流動且不具有極限靜切力 與塑性流體流動初期情況有點相似 即其表觀粘度隨切應(yīng)力增大而降低 越攪動越稀薄 稱為擬塑性流體 其流變方程以冪定律形式表示 稠度系數(shù) 流性指數(shù) 凡是流變規(guī)律符合冪定律形式的流體 稱為冪律流體 六 非牛頓流體的流動 流性指數(shù)n反映了擬塑性流體的流變性偏離牛頓流體的程度 1 當(dāng)n 1時 為牛頓流體流變方程 2 當(dāng)n1時 為膨脹性流體 六 非牛頓流體的流動 擬塑性流體的特點 受力后立即流動 流變曲線經(jīng)原點 因其結(jié)構(gòu)性較弱 隨著剪切速度的增加 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞 質(zhì)點的相互位置得到調(diào)整 并順著流動方向定向 導(dǎo)致施加于流體的切應(yīng)力相互減少 從而使流變曲線凹向切應(yīng)力軸 粘度下降 愈拌愈稀 這種特性稱為剪切稀釋性 六 非牛頓流體的流動 3 膨脹性流體膨脹性流體流變方程 擬塑性流體和膨脹性流體統(tǒng)稱為冪律流體 n 1 六 非牛頓流體的流動 膨脹性流體的特點 受力后立即流動 流變曲線經(jīng)原點 所含顆粒形狀極不規(guī)則 靜止時緊密排列的顆粒嵌入鄰近層的空隙中 流動后隨著剪切速度的增加 中間層顆粒來不及嵌入鄰近的空隙中就被穩(wěn)定推過 因而發(fā)生膨脹 粘度增加 即愈拌愈稠 這種特性稱為剪切增稠性 停止剪切后馬上恢復(fù) 流變曲線凸向切應(yīng)力軸 六 非牛頓流體的流動 非牛頓流體的分類 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 6 2塑性流體 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 二 塑性流體基本流動方程 由于遵循質(zhì)量 能量守恒規(guī)律 故牛頓流體的三大方程同時適于塑性流體 1 2 3 六 非牛頓流體的流動 三 流動狀態(tài) 塑性流體在圓管中的流態(tài)為結(jié)構(gòu)流和紊流 六 非牛頓流體的流動 流動狀態(tài) 塑性流體由靜止到運動 隨著流速由小變大 有四種流動狀態(tài) 即塞流 結(jié)構(gòu)流 層流和湍流 1 塞流 當(dāng)塑性流體半徑R處的推動力超過了由于極限靜切應(yīng)力所引起的阻力時 流體整體象活塞一樣在管內(nèi)流動 稱為流核 2 結(jié)構(gòu)流 隨兩端壓差增大 小于半徑R的各流層依次開始流動 形成塞流的流核半徑逐漸縮小 而流核以外部分各流層間速度不同 形成流速梯度為梯度區(qū) 3 層流 湍流 兩端的壓差再增大 流核全部消失 梯度區(qū)擴大形成層流 隨兩端壓差繼續(xù)增大 則由層流變?yōu)橥牧?六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 四 水頭損失的計算 1 流態(tài)的判別 同牛頓流體用雷諾數(shù) 1 圓管綜合雷諾數(shù) 結(jié)構(gòu)流 紊流 六 非牛頓流體的流動 2 塑性流體在環(huán)形空間流動時的綜合雷諾數(shù) 結(jié)構(gòu)流 紊流 六 非牛頓流體的流動 2 塑性流體的水頭損失 六 非牛頓流體的流動 六 非牛頓流體的流動 例6 1 在鉆井工程中 某鉆桿內(nèi)徑d 94mm 井深H 1000m 泥漿的相對密度1 2 流量Q 25L s 該泥漿屈服應(yīng)力 0 1N 塑性粘度 0 01Pa s 判泥漿流態(tài) 并計算沿程水頭損失 解析 1 求流速 判流態(tài) 2 由流態(tài) 定阻力系數(shù) 3 選公式求損失 六 非牛頓流體的流動 五 鉆頭水眼處壓力損失計算 1 壓力損失 p即是將沿程水頭損失用壓差形式來表示 2 經(jīng)過鉆頭水眼的壓力損失