王振东:非牛顿流体及其奇妙特性

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  现在去医院作血液测试的项目之一,己不再是“血黏度检查”,全都 “血液流变学捡查”(简称血流变),为哪些地方会有原来的变化呢?这就要从非牛顿流体谈起。

  英国科学家牛顿于1687年,发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。实验是在两平行平板间充满水时进行的,下平板固定不动,上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时,附着于上、下平板的流体质点的传输速率,分别是U和0,两平板间的传输速率呈线性分布,斜率是黏度系数。由此得到了著名的牛顿黏性定律。

  斯托克斯1845年在牛顿什儿 实验定律的基础上,作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性及流体静止时应变率为零的三项假设,从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程,以及被广泛应用的纳维-斯托克斯方程(简称:纳斯方程)。

  如果当当我们 歌词 在进一步的研究中知道,牛顿黏性实验定律(以及在此基础上建立的纳斯方程),对于描述像水和空气原来低分子量的简单流体是适合的,而对描述具有高分子量的流体就不合适了,那时剪应力与剪切应变率之间己不再满足线性关系。为区别起见,当当我们 歌词 将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体,而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。日后对血液而言,剪应力与剪切应变率之间己不再是线性关系,己无法只给出三个 斜率(即黏度)来说明血液的力学底部形态,只好作血流变学测试,给出二者间的非线性关系。

  形形色色的非牛顿流体

  早在人类冒出日后,非牛顿流体就己存在,日后绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液,以及像细胞质那样的“半流体”,都属于非牛顿流体。

  近几十年来,能助 非牛顿流体研究太快了 开展的主要动力之一,是聚合物工业的发展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等,都在非牛顿流体。

  石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再生溶液、钻井用的洗井液和完井液、磁浆、许多感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都在非牛顿流体。

  非牛顿流体在食品工业中也很普遍,如番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果6浆、菜汤、浓糖水、酱油、果酱、炼乳、琼脂、土豆浆、熔化巧克力、面团、米粉团、以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料。

  综上所述,在日常生活和工业生产中,常遇到的各种高分子溶液、熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等繁复性质的流体,差没办法 来没办法 多都在非牛顿流体。有时为了工业生产的目的,在什儿 牛顿流体中,加入许多聚合物,在改进其性能的共同,也将其变成为非牛顿流体,如为提高石油产量使用的压裂液、新型润滑剂等。

  现在都在人将血液、果浆、蛋清、奶油等哪些地方地方非常黏稠的固体,牙膏、石油、泥浆、油漆、各种聚合物(聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等)溶液等非牛顿流体,称为软物质。

  非牛顿流体的奇妙底部形态及应用

  射流胀大

  日后非牛顿流体被迫从三个 大容器,流进十根毛细管,再从毛细管流出时,可发现射流的直径比毛细管的直径大。射流的直径与毛细管直径之比,称为模片胀大率(或称为挤出物胀大比)。对牛顿流体,它依赖于雷诺数,其值约在0.88~1.12之间。而对于高分子熔体或浓溶液,其值大得多,甚至可超过10。一般来说,模片胀大率是流动传输速率与毛细管长度的函数。

  模片胀大大问题,在口模设计中十分重要。聚合物熔体从十根矩形截面的管口流出时,管截面长边处的胀大,比短边处的胀大更加显著。尤其在管截面的长边中央胀得最大。怎么让 ,之都里能求生产出的产品的截面是矩形的,口模的底部形态就不都里能是矩形,而都里能是四边中间都凹进去的底部形态。

  什儿 射流胀大大问题,也叫Barus效应,或Merrington效应。

  

  奶酪生产情景:奶酪从管中流出后马上胀大

  爬杆效应

  1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院,公开表演了三个 有趣的实验:在一不都里能黏弹性流体(非牛顿流体的什儿 )的烧杯里,旋转实验杆。对于牛顿流体,日后离心力的作用,液面将呈凹形;而对于黏弹性流体,却向杯中心流动,并沿杆向上爬,液面变成凸形,甚至在实验杆旋转传输速率很低时,也都里能观察到什儿 大问题。

  爬杆效应也称为Weissenberg效应。在设计混合器时,都里能考虑爬杆效应的影响。同样,在设计非牛顿流体的输运泵时,也应考虑和利用什儿 效应。

  

  爬杆效应实验:左为牛顿流体,右为黏弹性流体

  无管虹吸

  对于牛顿流体来说,在虹吸实验时,日后将虹吸管提离液面,虹吸马上就会停止。但对高分子固体,如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液,或聚醣在水中的轻微凝肢体系等,都很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器拨起时,都里能看到实在管子己不再插在固体里,固体仍源源不断地从杯中抽出,继续流进管里。甚至更简单些,连虹吸管都在要,将装满该固体的烧杯微倾,使固体流下,该过程一旦始于,就我没办法 多 中止,直到杯中固体都流光。什儿 无管虹吸的底部形态,是合成纤维具备可纺性的基础。

  

  无管缸吸:对于化纤生产有重要意义

  湍流减阻

  非牛顿流体显示出的另一奇妙性质,是湍流减阻。当当我们 歌词 观察到,日后在牛顿流体中加入几滴 聚合物,则在给定的传输速率下,都里能看到显著的压差降。湍流三个 劲是困扰理论物理和流体力学界未防止的大问题。然而在牛顿流体中加入几滴 高聚物去掉 剂,却冒出了减阻效应。大家报告:在加入高聚物去掉 剂后,测得猝发周期加大了,认为是高分子链的作用。

  减阻效应也称为Toms效应,实在其道理尚未弄得很清楚,却己有不错的应用。在消防水中去掉 几滴 聚乙烯氧化物,可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上。应用高聚物去掉 剂,还能改善气蚀存在过程及其破坏作用。

  湍流减阻:在同样动力下两幅消防水龙头喷水图

  

  上图为未去掉 聚乙烯氧化物的情況

  下图为去掉 聚乙烯氧化物后的情況

  非牛顿流体除具有以上几种有趣的性质外,还有许多许多受到当当我们 歌词 重视的奇妙底部形态,如拔丝性(能拉伸成极细的细丝,可见“春蚕到死丝方尽”一文),剪切变稀(可见“腱鞘囊肿治愈记”一文),连滴效应(其自由射流形成的小滴之间有液流小杆相连),液流反弹等。

  日后非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、传输速率和产品质量,也涉及人什儿 的生活和健康,全都有没办法 受到科学工作者的重视。1996年8月在日本京都国际会议中心,召开的第19届国际理论与应用力学大会(IUTAM)上,非牛顿流体流动是大会的6个重点主题之一,也是流体力学方面参与最踊跃的主题。Grochet邀请报告的观点是,高分子溶液和熔体的底部形态远异于牛顿流体,并认为对哪些地方地方异常底部形态的研究,都在富含挑战性的课题。

  (原刊登于《物理教学》30002年24卷3期)

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