剪切稀化流体是非牛顿流体吗

水煤浆、高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体,它们在层流流动时并不服从牛顿黏性定律,这些流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的流动行为与管道输送、设备的设计和操作条件的选择以及产品的质量控制等有着密切关系。之间存在复杂的函数关系τ=τy+

在定态剪切流动时,非牛顿流体所受剪应力τ与产生的变形率(即剪切率),图1-3所示为几种常见的情况。

从图中可以看出:

①当τy=0,n=1时为牛顿流体;

②当τy=0,n>1时为涨塑性流体;③当τy=0,n<1时为假塑性流体;④当τy>0,n=1时为塑性流体。

图1-3　几种非牛顿流体的流动性质

仿照牛顿流体那样,定义非牛顿流体的黏度为切应力τ与剪切率d u/d y的比值,即μ=,对于假塑性流体,在剪切率很低的范围内,黏度为一常数,其值相对较大;而后随剪切率增高,黏度下降,此现象称为剪切稀化现象。当剪切率很大时,黏度又趋于一常数,其值较低。在不同的剪切率范围内黏度的差异可达百倍以上。

多数非牛顿流体表现为剪切稀化的假塑性行为,但少数浓悬浮体(如淀粉水浆)在某一剪切率范围内表现出剪切增稠的涨塑性,即黏度随剪切率的增大而升高。

含固体量较多的悬浮体常表现出塑性的力学特征,即只有当施加的切应力大于某一临界值之后才开始流动,此临界值称为屈服应力。流动发生后,通常具有剪切稀化性质,也可能在某一剪切率范围内有剪切增稠现象。

不少非牛顿流体受力产生的d u/d y还与剪应力τ的作用时间有关。随τ作用时间的延续,d u/d y增大,黏度变小。当一定的剪应力τ所作用的时间足够长后,黏度达到定态的平衡值,这一行为称为触变性。圆珠笔油、涂料等都被制成具有触变性,以达到涂写方便,静时不流的目的。反之,黏度随剪切力作用时间延长而增大的行为则称为震凝性。

许多流体不但有黏性,而且常表现出明显的弹性,蛋白等天然及合成高分子液体都具有黏弹性。图1-4表述了流体的三种弹性行为。微略的弹性往往不被人所注意,但它仍是构成某些特殊流动现象(如减阻)的重要原因。

图1-4　流体弹性的表现

值得注意的是,一种流体在不同条件下可表现出上述一种或多种不同的流动行为,这里强调的是流体可能表现的性质,而不是将流体归属于哪一种类型。