非牛頓流體及其奇妙特性

1、非牛頓流體及其奇妙特性現(xiàn)在去醫(yī)院作血液測(cè)試的項(xiàng)目之一，己不再是“血黏度檢查”，而是“血液流變學(xué)撿查”（簡(jiǎn)稱血流變），為什么會(huì)有這樣的變化呢？這就要從非牛頓流體談起。英國(guó)科學(xué)家牛頓于1687年，發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是在兩平行平板間充滿水時(shí)進(jìn)行的，下平板固定不動(dòng)，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，附著于上、下平板的流體質(zhì)點(diǎn)的速度，分別是U和0，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度系數(shù)。由此得到了著名的牛頓黏性定律。斯托克斯1845年在牛頓這一實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，作了應(yīng)力張量是應(yīng)變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性及流體靜止時(shí)應(yīng)變率為零的三項(xiàng)假設(shè)，從而導(dǎo)出了廣泛應(yīng)用

2、于流體力學(xué)研究的線性本構(gòu)方程，以及被廣泛應(yīng)用的納維-斯托克斯方程（簡(jiǎn)稱：納斯方程）。后來(lái)人們?cè)谶M(jìn)一步的研究中知道，牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律（以及在此基礎(chǔ)上建立的納斯方程），對(duì)于描述像水和空氣這樣低分子量的簡(jiǎn)單流體是適合的，而對(duì)描述具有高分子量的流體就不合適了，那時(shí)剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再滿足線性關(guān)系。為區(qū)別起見(jiàn)，人們將剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。因?yàn)閷?duì)血液而言，剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再是線性關(guān)系，己無(wú)法只給出一個(gè)斜率（即黏度）來(lái)說(shuō)明血液的力學(xué)特性，只好作血流變學(xué)測(cè)試，給出二者間的非線性關(guān)系。形形色色的非牛頓流體早在人類出現(xiàn)之前，

3、非牛頓流體就己存在，因?yàn)榻^大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”，都屬于非牛頓流體。近幾十年來(lái)，促使非牛頓流體研究迅速開(kāi)展的主要?jiǎng)恿χ唬蔷酆衔锕I(yè)的發(fā)展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。非牛頓流體在食品工業(yè)中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、菜湯、濃糖水

4、、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團(tuán)、米粉團(tuán)、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料。綜上所述，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián)體系、懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體，差不多都是非牛頓流體。有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液、新型潤(rùn)滑劑等?，F(xiàn)在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱為軟物質(zhì)。非牛頓流體的奇妙特性及應(yīng)用射流脹大如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器，流進(jìn)一根毛

5、細(xì)管，再?gòu)拿?xì)管流出時(shí)，可發(fā)現(xiàn)射流的直徑比毛細(xì)管的直徑大。射流的直徑與毛細(xì)管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對(duì)牛頓流體，它依賴于雷諾數(shù)，其值約在0.881.12之間。而對(duì)于高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過(guò)10。一般來(lái)說(shuō)，模片脹大率是流動(dòng)速率與毛細(xì)管長(zhǎng)度的函數(shù)。模片脹大現(xiàn)象，在口模設(shè)計(jì)中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時(shí)，管截面長(zhǎng)邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長(zhǎng)邊中央脹得最大。因此，如果要求生產(chǎn)出的產(chǎn)品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進(jìn)去的形狀。這種射流脹大現(xiàn)象，也叫Barus效應(yīng)，或Merrington效應(yīng)。

6、圖 1 奶酪生產(chǎn)情景：奶酪從管中流出后馬上脹大爬桿效應(yīng)1944年Weissenberg在英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院，公開(kāi)表演了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在一只有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)桿。對(duì)于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對(duì)于黏彈性流體，卻向杯中心流動(dòng)，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實(shí)驗(yàn)桿旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，也可以觀察到這一現(xiàn)象。爬桿效應(yīng)也稱為Weissenberg效應(yīng)。在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。同樣，在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí)，也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng)。圖 2 爬桿效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：左為牛頓流體，右為黏彈性流體無(wú)管虹吸對(duì)于牛頓流體來(lái)說(shuō)，在虹吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果將虹吸管提離液面

7、，虹吸馬上就會(huì)停止。但對(duì)高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無(wú)管虹吸實(shí)驗(yàn)。將管子慢慢地從容器撥起時(shí)，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進(jìn)管里。甚至更簡(jiǎn)單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過(guò)程一旦開(kāi)始，就不會(huì)中止，直到杯中液體都流光。這種無(wú)管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ)。圖 3 無(wú)管缸吸：對(duì)于化纖生產(chǎn)有重要意義湍流減阻非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質(zhì)，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理

8、和流體力學(xué)界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應(yīng)。有人報(bào)告：在加入高聚物添加劑后，測(cè)得猝發(fā)周期加大了，認(rèn)為是高分子鏈的作用。減阻效應(yīng)也稱為Toms效應(yīng)，雖然其道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯(cuò)的應(yīng)用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚(yáng)程提高一倍以上。應(yīng)用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發(fā)生過(guò)程及其破壞作用。圖 4 湍流減阻：在同樣動(dòng)力下兩幅消防水龍頭噴水。上圖為未添加聚乙烯氧化物的情形，下圖為添加聚乙烯氧化物后的情形非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質(zhì)外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細(xì)的細(xì)絲），剪切變稀，連滴效應(yīng)（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。由于非牛頓流體涉及許多工業(yè)生產(chǎn)部門的工藝、設(shè)備、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來(lái)越受到科學(xué)工作者的重視。1996年8月在日本京都國(guó)際會(huì)議中心，召開(kāi)的第19屆國(guó)際理論與