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非牛顿型流体
服从牛顿粘性定律的流体,称为牛顿型流体,所有气体和大多数液体都属于这一类。
由前已知,牛顿粘性定律的表达式为:
(1-24a)
根据速度的定义,可将速度梯度改写为:
凡不遵循牛顿粘性定律的流体,统称为非牛顿型流体,非牛顿型流体在化工过程中亦属常见。这里仅简述非牛顿型流体的分类和特性,更多的内容可参阅有关方面的专著。
图1-13 牛顿流体与非牛顿流体的流变图
根据流体的流变方程式或流变田,可将非牛顿型流体分类如下:
以下按上述分类次序,对各种流体作扼要介绍。
一、与时间无关的粘性流体
对于与时间无关的粘性流体,在流变图上的τ对du/dy关系曲线或者是通过原点的曲线,或者是不通过原点的直线,如图1-13中的b、c、d诸线所示。这些关系曲线的斜率是变化的。因此,对与时间无关的粘性流体采说,粘度一词便失去意义。但是,这些关系曲线在任一特定点上也有一定的斜率,故与时间无关的粘性流体在指定的剪切速率下,有一个相应的表观粘度值,即:
(1-28)
图1-13中b、c、d曲线所代表的流体,其表观粘度μa都只随剪切速率而变,和剪切力作用持续的时间无关,故称为与时间无关的粘性流体,又可分为:
(1)假塑性(Pseudoplastic)流体 这种流体的表观粘度随剪切速率的增大而减小,τ对γ的关系为一向下弯的曲线,该曲线可用指数方程来表示:
(1-29)
大多数与时间无关的粘性流体属于此类型,其中包括聚合物溶液或熔融体、油脂、淀粉悬浮液、蛋黄浆和油漆等。
(2)涨塑性(dilatant)流体 与假塑性流体相反,这种流体的表观粘度随剪切速率的增大而增加,τ对γ的关系为一向上弯的曲线,如图1-13曲线c所示,该曲线的方程式仍可用式(1-29)来表示,但式中的n>1。
涨塑性流体比假塑性流体少得多,如玉米粉,糖溶液,湿沙和某些高浓度的粉末悬浮液等均属此类流体。
(3)宾汉塑性(Bingham plastic)流体 这种流体的τ-γ关系如图1-13的直线d所示,它的斜率固定,但不通过原点,该线的截距τ0称为屈服应力。这种流体的特性是在当剪应力超过屈服应力之后才开始流动,开始流动之后其性能象牛顿型流体一样。属于此类的流体有纸浆、牙膏和肥皂等。
塑性流体的流变特性可表示为:
(1-30)
二、与时间有关的粘性流体
在一定剪切速率下,表观粘度随剪切力作用时间的延长而降低或升高的流体.刚为与时间有关的粘性流体,其可分为:
(1)触变性(thixotropic)流体 这种流体的表观粘度随剪切力作用时间的延长而降低,属于此类流体的如某些高聚物溶液,某些食品和油漆等。
(2)流凝性(Rheopectic)流体 这种流体的表观粘度随剪切力作用时间的延长而增高,此类流体如某些溶胶和石膏悬浮液等。
三、粘弹性(Viscoelastic)流体
此类流体是介于粘性流体和弹性固体之间,它们同时表现出粘性和弹性。在不超过屈服强度的条件下,剪应力除去以后,其变形能部分地复原。属于此种流体的有面粉团、凝固汽油和沥青等
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