相关原理

      如果您在这个网站上,您可能有一个关於什么是黏度的一般概念,以及在涉及流体流动的任何应用的开发中它的重要性。然而,流体表徵比通常所预期的要复杂得多。每种独特的材料在受到流动,变形或压力时都有自己的行为。 

      而根据它们作为剪切速率,应力,变形过程函数的黏度行为,流体会被表徵为牛顿流体或非牛顿流体。

牛顿流体

      牛顿流体是以伊萨克牛顿爵士(Sir Issac Newton1642 - 1726)命名的,他以剪切应力[mPa]和剪切速率[1 / s]之间的简单线性关系描述了流体的流动行为。这种关系现在称为牛顿黏度定律,其中比例常数η是流体的黏度mPa-s ]

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     牛顿流体的一些例子包括水,有机溶剂和蜂蜜。而这些流体黏度只取决於温度。因此,如果我们看一下剪切应力与剪切速率的关系曲线(见Figure 1),我们可以看到随著剪切速率增加,应力呈线性增加,其中斜率由流体的黏度计算出。这意味著牛顿流体的黏度将保持不变(见Figure 2),无论它们被迫流过管道或通道的速度有多快(即黏度与剪切速率无关)。 

        Bingham塑料是一个例外,它是在流动之前需要施加最小应力的流体。这些都是严格的非牛顿流体,但是一旦流动开始,它们的行为基本上就是牛顿流体(即剪切应力与剪切速率成线性关系)。这种行为中有一个很好的例子就是蛋黄酱。 

      牛顿流体通常由小的各向同性(对称的形状和性质)分子组成,这些分子不是通过流动取向的。但是,也可能具有大的各向异性分子的牛顿行为。例如,低浓度蛋白质或聚合物溶液可以显示恒定的黏度而不管剪切速率如何。一些样品也可以在低剪切速率下显示牛顿特性,并具有被称为零剪切黏度区域的平台。  

非牛顿流体


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      实际上大多数流体是非牛顿流体,这意味著它们的黏度取决於剪切速率(剪切稀或增稠)或变形过程(触变流体)。与牛顿流体相反,非牛顿流体在剪切应力和剪切速率之间显示非线性关系(见Figure 1),具有屈服应力或黏度,这取决於时间或变形过程(或所有的组合以上!)。

      如果流体的黏度随著剪切速率的增加而增加(见Figure 2),则流体的剪切增稠。剪切增稠流体的一个常见例子是玉米淀粉和水的混合物。如果黏度随著剪切速率的增加而下降,则流体会发生剪切变稀。剪切稀化流体,也被称为假塑料,在工业和生物过程中无处不在。常见的例子包括番茄酱,油漆和血液。 

      流体的非牛顿行为可以由几个因素引起,所有这些因素都与由於流动引起的流体分子的结构重组有关。在聚合物熔体和溶液中,高度各向异性链的排列导致黏度下降。在胶体中,流动中不同相的分离导致剪切稀化行为。 

我为什么要在乎?

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      流体流动高度依赖於流体的黏度。同时对於非牛顿流体,黏度由流动特性决定。看Figure 3,根据流体行为,可以观察到三种不同的速度分布。对於所有这些流体,壁面的剪切速率(即靠近壁面的速度分布的斜率)将决定黏度。黏度的成功表徵是确定流体是牛顿流体还是非牛顿流体的关键,以及在特定应用中需要考虑哪些剪切速率范围。市场上的许多黏度计测量指数黏度,但通常缺乏对剪切速率和绝对或真实黏度的适当表徵。 绝对黏度是涉及流体流动的应用的开发和建模中最重要的参数之一。因此,黏度的正确表徵必须在与特定工艺相关的剪切速率下进行。



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