第九章_非牛顿流体的运动

流体力学中的非牛顿流体流体力学是研究物质在流动状态下力的作用和运动规律的学科。

在流体力学中，我们通常将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。

本文将重点介绍非牛顿流体的特性、流动行为以及其在工程和科学领域中的应用。

一、非牛顿流体的特性非牛顿流体是指其粘度随着应力或剪切速率的改变而变化的流体。

与牛顿流体相比，非牛顿流体表现出更复杂的流动行为。

根据其流变特性，非牛顿流体可以分为剪切变稀型和剪切变稠型。

剪切变稀型的非牛顿流体是指其粘度随剪切速率的增加而减小的流体。

常见的剪切变稀型非牛顿流体包括血液、糊状物和溶胶等。

这些流体在流动过程中，随着剪切力的增加，粒子之间的相互作用减弱，从而导致粘度的降低。

剪切变稀型流体的特性使其在工程领域中得到广泛应用，如石油钻井、医疗器械以及食品加工等。

剪切变稠型的非牛顿流体是指其粘度随剪切速率的增加而增加的流体。

常见的剪切变稠型非牛顿流体有浆料、高聚物溶液和胶体等。

这些流体在流动过程中，由于粒子之间的相互作用增强，导致粘度的增加。

剪切变稠型流体广泛应用于涂料、油漆和火箭发动机燃料等领域。

二、非牛顿流体的流动行为非牛顿流体的流动行为与牛顿流体有所不同。

牛顿流体遵循牛顿流体模型，其粘度独立于剪切速率，流动行为符合牛顿第二定律。

而非牛顿流体则不满足牛顿流体模型，其剪切应力和剪切速率之间的关系是非线性的。

非牛顿流体的流动行为通常由流变学进行描述。

流变学是研究物质应力-应变关系的科学，其中应力指流体内部单位面积上的力，应变指流体的变形程度。

通过流变学可以确定非牛顿流体的粘度与剪切速率之间的关系。

在非牛顿流体的流动过程中，通常存在剪切层滞后和剪切变薄等现象。

剪切层滞后是指在流动过程中，不同位置处的流体粘度不同，形成剪切层。

而剪切变薄是指在流动过程中，流体的某一部分变得更稀薄。

三、非牛顿流体的应用非牛顿流体的特性使其在工程和科学领域中得到广泛应用。

以下列举了一些常见的应用领域：1. 医学领域：血液作为一种剪切变稀型的非牛顿流体，在心血管系统中的流动行为对于疾病诊断和治疗具有重要意义。

非牛顿流体公式引言：流体力学是物理学的一个重要分支，研究液体和气体等流体的运动规律和性质。

在流体力学中，流体通常被分为牛顿流体和非牛顿流体两类。

本文将重点探讨非牛顿流体的特性和公式。

一、什么是非牛顿流体非牛顿流体是指其流动特性不能仅通过牛顿黏度来描述的流体。

与牛顿流体不同，非牛顿流体的黏度随剪切应力、剪切速率等因素的变化而变化。

非牛顿流体的流动行为更加复杂，常见的非牛顿流体有胶体、液晶、聚合物溶液等。

二、非牛顿流体的公式1. 幂律流体模型幂律流体模型是描述非牛顿流体黏度与剪切应力关系的一种常用模型。

其公式为：τ = K·γ^n其中，τ表示剪切应力，K是比例系数，γ表示剪切速率，n为流变指数。

幂律流体模型适用于描述剪切应力与剪切速率非线性关系的流体，如聚合物溶液等。

2. 卡门-科西流体模型卡门-科西流体模型是另一种常用的非牛顿流体模型，可以较好地描述剪切应力与剪切速率的关系。

其公式为：τ = η(γ)·γ其中，τ表示剪切应力，η(γ)表示动力黏度，γ表示剪切速率。

卡门-科西流体模型适用于描述剪切应力与剪切速率呈线性关系的流体，如胶体等。

3. 安德拉德-波伊西流体模型安德拉德-波伊西流体模型是一种复杂的非牛顿流体模型，可以描述剪切应力与剪切速率的非线性关系。

其公式为：τ = η(γ)·γ + η'(γ)·γ^2其中，τ表示剪切应力，η(γ)表示一次动力黏度，η'(γ)表示二次动力黏度，γ表示剪切速率。

安德拉德-波伊西流体模型适用于描述剪切应力与剪切速率非线性关系更为复杂的流体。

三、非牛顿流体的特性1. 剪切稀化非牛顿流体的黏度随剪切速率的增加而减小，这种现象称为剪切稀化。

剪切稀化是非牛顿流体独特的特性之一，常见于含有高分子聚合物的溶液。

2. 剪切增稠与剪切稀化相反，有些非牛顿流体的黏度随剪切速率的增加而增大，这种现象称为剪切增稠。

剪切增稠常见于胶体体系和液晶等非牛顿流体。

非牛顿流体的本质与流动特性引言在流体力学领域中，牛顿流体是最常见的一种流体类型。

牛顿流体按照牛顿第二运动定律的描述可以简化为线性关系，流体的黏度不随剪切速率的改变而改变。

然而，在实际应用中，我们经常会遇到一些黏度随剪切速率变化的情况，这些流体被称为非牛顿流体。

非牛顿流体的本质与流动特性是流体力学中一个重要的课题。

本文将从非牛顿流体的定义、分类、流动特性以及应用等方面进行综述，以加深对非牛顿流体的理解。

非牛顿流体的定义非牛顿流体是指其黏度随剪切速率或剪切应力的改变而改变的流体。

与牛顿流体相比，非牛顿流体在应变速率较大时显示出了明显的非线性特征。

非牛顿流体的变形行为分为弹性变形和粘性变形两种。

弹性变形指的是流体在受力后恢复原状的能力，而粘性变形则是指流体在受力后无法完全恢复原状的现象。

非牛顿流体的分类根据非牛顿流体的流动性质和黏度变化规律，可以将其分为多种类型，下面介绍几种常见的非牛顿流体分类。

塑性流体塑性流体是一种在低应力下表现为固体，而在较高应力下才表现为流体的非牛顿流体。

当外力大于一定临界值时，塑性流体才能发生流动。

塑性流体的流动规律可由卡塞格伦模型描述，该模型将塑性流体视为一种存在阻力的弹簧系统。

粘弹性流体粘弹性流体是指既具有弹性固体的特性，又具有粘性流体的特性的一类材料，其黏度随变形速率和时间的改变而改变。

粘弹性流体可用弹簧和粘滞器并联的模型进行表征，其流变行为介于弹性固体和牛顿液体之间。

纳米流体纳米流体是指在普通流体中加入纳米颗粒后形成的流体，纳米颗粒的添加使得流体具有了新的特性。

纳米流体的黏度和流变行为与纳米颗粒的浓度和形状密切相关。

纳米流体具有优异的热导性和力学性能，在热传导和润滑方面具有广泛的应用前景。

非牛顿流体的流动特性非牛顿流体的流动特性主要表现在其剪切应力与剪切速率之间的非线性关系上。

剪切稀释效应剪切稀释效应是非牛顿流体的一种典型的非线性特征，指的是黏度随剪切速率的增加而降低的现象。

非牛顿流体的研究性学习非牛顿流体科技名词定义中文名称：非牛顿流体英文名称： non-Newtonian fluid定义：黏度系数在剪切速率变化时不能保持为常数的流体。

所属学科：机械工程（一级学科）；分析仪器（二级学科）；物性分析仪器-物性分析仪器一般名词（三级学科）（本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布）牛顿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(图1)，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。

此时附于上下平板的流体质点的速度分别为U和0，两平板间的速度呈线性分布。

由此得到了著名的牛顿粘性定律相关理论斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性、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，以及现被广泛应用的纳维－斯托克斯方程。

后来人们在进一步的研究中知道，牛顿粘性实验定律(以及在此基础上建立的纳－斯方程)对于描述像水和空气这样低分子量的流体是适合的，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已不再满足线性关系。

为区别起见，人们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。

早在人类出现之前，非牛顿流体就已存在，因为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。

现在去医院作血液测试的项目之一，已不再说是“血粘度检查”，而是“血液流变学检查”(简称血流变)，这就是因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间不再是线性关系，已无法只给出一个斜率(即粘度)来说明血液的力学特性。

非牛顿流体及其奇妙特性现在去医院作血液测试的项目之一，己不再是“血黏度检查”，而是“血液流变学捡查”（简称血流变），为什么会有这样的变化呢？这就要从非牛顿流体谈起。

非牛顿流体的原理以及应用1. 引言非牛顿流体是指其黏度不是固定的，而是随着应力的变化而变化的流体。

与牛顿流体相比，非牛顿流体具有更为复杂的流变特性和应力-变形关系。

本文将介绍非牛顿流体的基本原理以及其在不同领域的应用。

2. 非牛顿流体的原理非牛顿流体的黏度与施加在其上的剪切应力成正比，可以通过以下几种流变模型来描述其流变特性：2.1. Bingham模型Bingham模型是一种常见的非牛顿流体流变模型，其黏度随剪切应力的增加而线性增加。

该模型适用于流体在低剪切应力下呈现为固体行为，一旦超过一定的剪切应力阈值，流体则呈现出液体行为。

2.2. 卡塞格伦模型卡塞格伦模型是一种经验模型，用于描述非牛顿流体的流变特性。

该模型假定流体的黏度与剪切应力成幂函数关系，通常表达为幂指数的正比例关系。

2.3. 平动力学模型平动力学模型是一种描述非牛顿流体流变特性的计算模型，它涉及到流体微观粒子之间的相互作用力。

根据流体粒子的运动模式和作用力，可以通过计算模型来推导出流体的宏观流变行为。

3. 非牛顿流体的应用非牛顿流体广泛应用于多个领域，其特殊的流变性质为以下应用提供了基础：3.1. 食品工业非牛顿流体在食品加工中扮演着重要角色。

例如，巧克力、果酱和奶油等食品常常呈现出非牛顿流体的特性。

通过了解和控制这些流体的流变特性，可以改善产品的质量和稳定性。

3.2. 石油工业非牛顿流体的应用在石油工业中十分重要。

石油开采和运输过程中常涉及到高黏度的非牛顿流体，如钻井泥浆和原油。

了解其流变特性可以提高石油开采和加工的效率。

3.3. 医药领域非牛顿流体在药物制剂和体内输液等医药领域中发挥着重要作用。

通过控制药物的流变性质，可以实现药物的精确控制释放和输送。

3.4. 涂料和油墨工业非牛顿流体在涂料和油墨工业中被广泛使用。

通过了解和掌握非牛顿流体的流变特性，可以实现优质的涂层和印刷效果。

3.5. 生物医学工程非牛顿流体在生物医学工程领域的应用日益增多。