关于非牛顿流体介绍

[拼音]：fei-Niudun liuti

[外文]：non-Newtonian fluids

对于牛顿流体，流体的切变速度D与切应力τ成正比，即τ＝ηD，比例系数η即是流体的粘度，它在一定温度下是个定值，不因τ或D的不同而异。大多数纯液体和低分子溶液都是牛顿流体。倘若流体的流动行为与上述关系偏离，则称为非牛顿流体。

分类

此类流体的切变速度与切应力间不再是简单的正比关系，但二者间的函数关系与流体发生切变的时间长短无关。依照 τ＝f(D)函数的不同形式，非时间依赖性流体又可分为三类（图1）：

（1）塑性流体，或称宾厄姆体，其特点是切应力须超过一临界值τy后体系才开始流动。一旦塑性体开始流动，其τ-D之间像牛顿流体一样呈线性关系。因此，塑性流体的流动行为可用公式τ－τy＝ηPLD描述。式中ηPL称为塑性粘度，τy即开始流动时的临界切应力，称为屈伏值。许多浓分散体系，例如牙膏、油漆、钻井泥浆等都属于塑性流体。这些体系内的质点之间形成结构，切应力超过一定值后，结构破坏，体系才开始流动。有些体系也有屈伏值，但在切应力超过屈伏值后，τ-D之间不呈线性关系，称广义宾厄姆体。

（2）假塑体，无屈伏值，但切应力与切变速度之比τ/D（通称为表观粘度ηa）随切变速度的增加而下降。最常见的假塑体是大分子溶液。随着切变速度的增加，溶液中不对称质点沿流线定向的程度提高，表观粘度也因而下降。此类流体的流动行为常可用指数公式描述：

τ＝KDn (0＜n＜1)

式中K为常数。

（3）胀流体，无屈伏值，但与假塑体相反，其表观粘度随切变速度之增加而升高。此种性质通常见于某些高浓分散体。在静止时体系中的质点是分散的，流动时质点相碰形成结构，体系的表观粘度增加。胀流体的流动行为也可用指数公式描述：

τ＝KDn

但此时n＞1。

某些流体的表观粘度不仅与切变速度的大小有关，而且与体系遭受切变的时间长短有关，此即时间依赖性流体。此种流体又可分为两类：

（1）触变性流体，维持流体以恒定切变速度流动的切应力随时间减小；

（2）震凝性流体，在一定切变速度下，切应力随时间增加。

绝大多数时间依赖性流体是触变性流体。触变性流体内的质点间形成结构，流动时结构破坏，停止流动时结构恢复，但结构破坏与恢复都不是立即完成的，需要一定的时间，因此体系的流动性质有明显的时间依赖性。在用转筒式粘度计测量触变性流体的τ-D曲线时，升高切变速度的上行线与降低切变速度的下行线不重合，形成一个滞后圈，这是触变性流体的显著特点（图2）。

某些物质，例如高分子浓溶液或熔体，在显示粘性流动行为的同时，也具有d性特征，此即粘d性流体。当外力作用于粘d性流体上时，一部分能量消耗于内摩擦，一部分作为d性贮存。体系的形变既不像d性体那样立即完成，也不像粘性体那样无限发展，而是随时间逐渐达到某个平衡形变，这个过程叫做蠕变。若使粘d性流体迅速发生一形变，则为维持此形变所需的应力随时间逐渐减小，称为应力松弛。应力减小到初始值的1/e时所需的时间称为应力松弛时间，它反映粘d性流体的d性和粘性的相对大小。