流體流動的基本概念

1、剪切速率基本概述流體的流動速相對圓流道半徑的變化速率剪切速率(shear rate) 公式：剪切速率=流速差/所取兩頁面的高度差 塑料熔體注塑時流道的剪切速率一般不低于1000S 澆口的剪切速率一般在100000S1000000S 具體介紹粘度為液體分子內摩擦的量度，也是物體粘流性質的一項具體反映。粘度的定義為一對平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體。今對上板施加一推力F，使其產生一速度變化du。由于液體的粘性將此力層層傳遞，各層液體也相應運動，形成一速度梯度dudr，稱剪切速率，以r表示。FA稱為剪切應力，以表示。剪切速率與剪切應力間具有如下關系：（FA）=（dudr），此比例系數(shù)即被

2、定義為液體的剪切粘度（另有拉伸粘度，剪切粘度平時使用較多，一般不加區(qū)別簡稱粘度時多指剪切粘度）， 故=（FA）（dudr）=r。 粘度單位常用“泊”，以P表示。部分粘度單位換算如下： 1泊（P）=0.1牛頓秒米2（Ns/m2）=3.6×102千克米時（kg/mh）、 1千克力秒米2（kgfs/m2）=1Pa.s=98.07泊（P）。 PVC與大部分聚合物一樣，影響其粘度的因素有： 1， 溫度T，PVC粘度隨溫度升高呈指數(shù)下降。 當剪切速率r=100/s時 ，溫度T=150， 軟質PVC的粘度=6200 Pa.s=608047泊（P）。 硬質PVC的粘度=17000 Pa.s=1677

3、900泊（P）。 溫度T=190， 軟質PVC的粘度=310 Pa.s=30597泊（P）。 硬質PVC的粘度=600 Pa.s=59220泊（P）。 2， 剪切速率r，剪切速率r增加，PVC粘度下降。 溫度T=150時，剪切速率r=100/s， 軟質PVC的粘度=6200 Pa.s=608047泊（P）。 硬質PVC的粘度=17000 Pa.s=1677900泊（P）。 剪切速率r=1000/s， 軟質PVC的粘度=900 Pa.s=88263泊（P）。 硬質PVC的粘度=2000 Pa.s=197400泊（P）。 3，壓力，在同一溫度下，增壓會增加PVC的粘度。剪切應力為，剪切速率為

4、21;，則粘度/Ý，稱為動力粘度，單位為Pa.s（泊），常用單位為mPa.s（如一般原油測試的粘度）。一般現(xiàn)在流變儀測試的粘度結果都是1/s；而一些以前的粘度計測試的結果卻是rpm，它換算成1/s估計有些困難，因為它的轉子屬于相對測試系統(tǒng)，轉子尺寸和測量杯的尺寸的影響，無法準確得到其剪切速率。一、流體流動的基本概念     1剪切速率和剪切應力    液體與固體的重要區(qū)別之一是液體具有流動性，就是說，加很小的力就能使液體發(fā)生變形，而且只要力作用的時間相當長，很小的力就能使液體發(fā)生很大的變形。以河水在水面的

5、流速分布為例，可以觀察到越靠近河岸，流速越小，河中心處流速最大，河面水的流速分布如圖3-1所示。管道中水的流速分布是中心處流速最大，越向周圍流速越小，靠近管壁處流速為零。流速剖面形狀為拋物線。從立體來看，它像一個套筒望遠鏡或拉桿天線，如圖3-2所示。                      水中各點的流速不同，可以設想將其分成許多薄層。通過管道中心線上的點作一條流速的垂線，自中心線上的

6、點沿垂線向管壁移動位置，隨著位置的變化流速也在發(fā)生變化。液流中各層的流速不同這個現(xiàn)象，通常是用剪切速率(或稱流速梯度)這個物理量來描述的。如果在垂直于流速的方向上取一段無限小的距離缸，流速由I變化到v+dv，則比值dwd工表示在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即剪切速率。剪切速率也可用符號了來表示。若剪切速率大，則表示液流中各層之間流速的變化大；反之，流速的變化則小。在SI單位制中，流速的單位為ms，距離的單位為m，所以剪切速率的單位為s-1。鉆井液在循環(huán)過程中，由于它在各個部位的流速不同，因此剪切速率也不相同。流速越大之處剪切速率越高，反之則越低。一般情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在

7、10一20s-1；沸慰占?0250 s-1；鉆桿內1001 000 s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在10 000100 000 s-1。    液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體內部內聚力的作用，流速較快的液層會帶動流速較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間會發(fā)生內摩擦作用，即出現(xiàn)成對的內摩擦力(即剪切力)，阻礙液層剪切變形。通常將液體流動時所具有的抵抗剪切變形的物理性質稱做液體的粘滯性。     為了確定內摩擦力與哪些因素有關，牛頓通過大量

8、實驗研究提出了液體內摩擦定律，通常稱為牛頓內摩擦定律。其內容為：液體流動時，液體層與層之間的內摩擦力(F)的大小與液體的性質及溫度有關，并與液層間的接觸面積(S)和剪切速率()成正比，而與接觸面上的壓力無關，即                  F S         (3-1)    內摩擦力F除以接觸面積

9、S即得液體內的剪切應力r，剪切應力可理解為    單位面積上的剪切力，即        FS         (3-2)    以上兩式中，是量度液體粘滯性大小的物理量，通常稱為粘度。的物理意義是產生單位剪切速率所需要的剪切應力。越大，表示產生單位剪切速率所需要的剪切應力越大。粘度是液體的性質，不同液體有不同的值。還與溫度有關，液體的粘度一般隨溫度的升高而降

10、低。     在SI單位制中，r的單位是Pa，的單位是s-1，的單位是Pa·s。由于Pa·s單位太大，在實際應用中一般用mpa·s表示液體的粘度。例如，在20時，水的粘度1008 7mpa·s。在工程應用中，盧的常用單位為厘泊(cP)，cP=1 mpa·s。式(3-2)是牛頓內摩擦定律的數(shù)學表達式。通常將剪切應力與剪切速率的：系遵守牛頓內摩擦定律的流體，稱為牛頓流體；不遵守牛頓內摩擦定律的流體稱為非牛頓流體。水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質油、低分子化合物溶液以及低流動的氣體等均為牛頓流體，高分子聚合物的濃溶

11、液和懸浮液等一般為非牛流體。大多數(shù)鉆井液都屬于非牛頓流體。    2流變模式和流變曲線    剪切應力和剪切速率是流變學中的兩個基本概念，鉆井液流變性的核心題就是研究各種鉆井液的剪切應力與剪切速率之間的關系。這種關系可以用學關系式表示，也可以作出圖線來表示。若用數(shù)學關系式表示時，稱為流變方程習慣上又稱為流變模式，如式(3-2)就是牛頓流體的流變模式。若用圖線來表時，就稱為流變曲線。    當對某種鉆井液進行實驗，求出一系列的剪切速率與剪切應力數(shù)據(jù)時，即在直角坐標圖上作出剪切速

12、率隨剪切應力變化的曲線，或剪切應力隨剪切速變化的曲線。這兩種形式是一樣的，只是縱、橫坐標互換了一下。鑒于目前各：文獻著作中，兩種表示方法同時存在，所以對它們都應該熟悉。圖3-3a和3-3b分別為兩種液體流變曲線的不同表示方法。由于是通過原點的直線，很顯然兩液體均為牛頓流體。在圖3-3b中，直線的斜率tan，對某種液體說，是一個常數(shù)，說明在任何剪切速率下，牛頓流體的粘度不變。剪切速率增加一倍，剪切應力也相應地增加一倍。也就是說，只用一個參數(shù)即可描牛頓流體的流變性。從圖中還可看出，越大，tan越大，即液體的粘度也越大。      

13、0;          3流體的基本流型    按照流體流動時剪切速率與剪切應力之間的關系，流體可以劃分為不同的類型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測出的流變曲線形狀的不同，又可將非牛頓流體的流型歸納為塑性流型、假塑性性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線見圖3-4。符合這四種流型的分別叫牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。          

14、0;                     前面已提到，牛頓流體是流變性最簡單的流體。流變方程為式(32)，其意義是，當牛頓流體在外力作用下流動時，剪切應力與剪切速率成正比。從牛頓流體的流變方程和流變曲線可以看出，這類流體有如下特點：當>O時，>0，因此只要對牛頓流體施加一個外力，即使此力很小，也可以產生一定的剪切速率，即開始流動。此外，其粘度不隨剪切速率的增減而變化。膨脹

15、流體比較少見。從圖3-4可發(fā)現(xiàn)其流動特點是：稍加外力即發(fā)生流動；粘度隨剪切速率(或剪切應力)增加而增大，靜置時又恢復原狀。與假塑性流體相反，其流變曲線凹向剪切應力軸。這種流體在靜止狀態(tài)時，所含有的顆粒是分散的。當剪切應力增大時，部分顆粒會糾纏在一起形成網架結構，使流動阻力增大。    因為目前廣泛使用的多數(shù)鉆井液為塑性流體和假塑性流體，因此，下面將重點討論這兩種類型的非牛頓流體。二、塑性流體    高粘土含量的鉆井液、高含蠟原油和油漆等都屬于塑性流體。與牛頓流體不同，塑性流體當0時，0。也就是說，它不是加很小的剪切

16、應力就開始流動，而是必須加一定的力才開始流動，這種使流體開始流動的最低剪切應力(s)稱為靜切應力(又稱靜切力、切力或凝膠強度)。從圖3-4中塑性流體的流變曲線可以看出，當剪切應力超過s時，在初始階段剪切應力和剪切速率的關系不是一條直線，表明此時塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低(圖中曲線段)。繼續(xù)增加剪切應力，當其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發(fā)生變化，此時流變曲線變成直線(圖中直線段)。此直線段的斜率稱為塑性粘度(表示為P或PV)。延長直線段與剪切應力軸相交于一點0，通常將0 (亦可表示為YP)稱為動切應力(常簡稱為動切力或屈服值)。塑性粘度和動切力是鉆井液

17、的兩個重要流變參數(shù)。     引入動切力之后，塑性流體流變曲線的直線段即可用下面的直線方程進行描述；                0十P             (3-3)此式即是塑性流體的流變模式。因是賓漢首先提出的，該式常稱為賓漢模式(BinghamModel)，并將塑性流

18、體稱為賓漢塑性流體。    塑性流體表現(xiàn)上述流動特性是與它的內部結構分不開的。例如，水基鉆井液主要由粘土、水和處理劑所組成。粘土礦物具有片狀或棒狀結構，形狀很不規(guī)則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網架結構。研究表明，粘土顆?？赡艹霈F(xiàn)如圖3-5所描述的三種不同連接方式，即面-面(FacetoFace)、端-面(EdgetoFace)和端-端(EdgetoEdge)連接。這是由于粘土顆粒表面的性質(帶電性和水化膜)極不均勻引起的。片狀的粘土顆粒有兩種不同的表面，即帶永久負電荷的板面(簡稱"面")和既可能帶正電荷也可能帶負電荷的端面(

19、簡稱"端")，這樣粘土表面在溶液中就可能形成兩種不同的雙電層。一般說來，粘土膠體顆粒的相互作用受三種力的支配，即雙電層斥力、靜電吸引力和范德華引力。粘土顆粒間凈的相互作用力是斥力和吸力的代數(shù)和，因此在不同條件下，會產生以上三種不同的連接方式。例如，當端面帶正電荷時，板面與端面就由于靜電吸引力占優(yōu)勢而彼此連接；當加入可溶性電解質時，則由于其中的陽離子壓縮雙電層使電位降低，從而降低了雙電層斥力，于是引起端-面連接；如果加入的電解質足夠多，雙電層斥力降至某種程度之后，則會發(fā)生面-面連接。        

20、;           三種不同的連接方式將產生不同的后果。面-面連接會導致形成較厚的片，即顆粒分散度降低，這一過程通常稱為聚結(Aggregation)；而端-面與端-端連接則形成三維的網架結構，特別是當粘土含量足夠高時，能夠形成布滿整個空間的連續(xù)網架結構，膠體化學上稱做凝膠結構，這一過程通常稱為絮凝(Flocculation)。與聚結和絮凝相對應的相反過程分別叫做分散(Dispersion)和解絮凝(Defiocculation)，如圖3-5所示。   

21、0;一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒都在不同程度上處在一定的絮凝狀態(tài)。因此，要使鉆井液開始流動，就必須施加一定的剪切應力，破壞絮凝時形成的這種連續(xù)網架結構。這個力即靜切應力，由于它反映了所形成結構的強弱，因此又將靜切應力稱為凝膠強度。    在鉆井液開始流動以后，由于初期的剪切速率較低，結構的拆散速度大于其恢復速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，因此表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低(即圖3-4中塑性流體的曲線段)。隨著結構拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結構恢復速度相應增加。因此，當剪切速率增至一定程度，結構破壞的速度和恢復的速度保持相等(即達到動態(tài)平衡)時，結構拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，相應地粘度亦不再發(fā)生變化(圖中直線段)。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因為該參數(shù)不隨剪切應力和剪切速率而改變，所以對鉆井液的水力計算是很重要的。從賓漢模式可以得出：p=（0）/，塑性粘度的單位為mpa·S。三、假塑性流體    某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。其流變曲線是通過原點并凸