相關原理

      如果您在這個網站上,您可能有一個關於什麼是黏度的一般概念,以及在涉及流體流動的任何應用的開發中它的重要性。然而,流體表徵比通常所預期的要複雜得多。每種獨特的材料在受到流動,變形或壓力時都有自己的行為。 

      而根據它們作為剪切速率,應力,變形過程函數的黏度行為,流體會被表徵為牛頓流體或非牛頓流體。

牛頓流體

      牛頓流體是以伊薩克·牛頓爵士(Sir Issac Newton1642 - 1726)命名的,他以剪切應力[mPa]和剪切速率[1 / s]之間的簡單線性關係描述了流體的流動行為。這種關係現在稱為牛頓黏度定律,其中比例常數η是流體的黏度mPa-s ]

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     牛頓流體的一些例子包括水,有機溶劑和蜂蜜。而這些流體黏度只取決於溫度。因此,如果我們看一下剪切應力與剪切速率的關係曲線(見Figure 1),我們可以看到隨著剪切速率增加,應力呈線性增加,其中斜率由流體的黏度計算出。這意味著牛頓流體的黏度將保持不變(見Figure 2),無論它們被迫流過管道或通道的速度有多快(即黏度與剪切速率無關)。 

        Bingham塑料是一個例外,它是在流動之前需要施加最小應力的流體。這些都是嚴格的非牛頓流體,但是一旦流動開始,它們的行為基本上就是牛頓流體(即剪切應力與剪切速率成線性關係)。這種行為中有一個很好的例子就是蛋黃醬。 

      牛頓流體通常由小的各向同性(對稱的形狀和性質)分子組成,這些分子不是通過流動取向的。但是,也可能具有大的各向異性分子的牛頓行為。例如,低濃度蛋白質或聚合物溶液可以顯示恆定的黏度而不管剪切速率如何。一些樣品也可以在低剪切速率下顯示牛頓特性,並具有被稱為零剪切黏度區域的平台。  

非牛頓流體


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      實際上大多數流體是非牛頓流體,這意味著它們的黏度取決於剪切速率(剪切稀或增稠)或變形過程(觸變流體)。與牛頓流體相反,非牛頓流體在剪切應力和剪切速率之間顯示非線性關係(見Figure 1),具有屈服應力或黏度,這取決於時間或變形過程(或所有的組合以上!)。

      如果流體的黏度隨著剪切速率的增加而增加(見Figure 2),則流體的剪切增稠。剪切增稠流體的一個常見例子是玉米澱粉和水的混合物。如果黏度隨著剪切速率的增加而下降,則流體會發生剪切變稀。剪切稀化流體,也被稱為假塑料,在工業和生物過程中無處不在。常見的例子包括番茄醬,油漆和血液。 

      流體的非牛頓行為可以由幾個因素引起,所有這些因素都與由於流動引起的流體分子的結構重組有關。在聚合物熔體和溶液中,高度各向異性鏈的排列導致黏度下降。在膠體中,流動中不同相的分離導致剪切稀化行為。 

我為什麼要在乎?

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      流體流動高度依賴於流體的黏度。同時對於非牛頓流體,黏度由流動特性決定。看Figure 3,根據流體行為,可以觀察到三種不同的速度分佈。對於所有這些流體,壁面的剪切速率(即靠近壁面的速度分佈的斜率)將決定黏度。黏度的成功表徵是確定流體是牛頓流體還是非牛頓流體的關鍵,以及在特定應用中需要考慮哪些剪切速率範圍。市場上的許多黏度計測量指數黏度,但通常缺乏對剪切速率和絕對或真實黏度的適當表徵。 絕對黏度是涉及流體流動的應用的開發和建模中最重要的參數之一。因此,黏度的正確表徵必須在與特定工藝相關的剪切速率下進行。



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