什么是非牛頓流體？

2016-09-04 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

非牛頓流體

牛頓于1687年提出,水在作一維剪切流動(dòng)時(shí),其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率成正比關(guān)系。后來(lái)發(fā)現(xiàn),只有水和空氣等流體才滿(mǎn)足這種剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率的線(xiàn)性關(guān)系,它們也因此被稱(chēng)為牛頓流體。生活和生產(chǎn)中的大多數(shù)流體屬于非牛頓流體,它們?cè)谧饕痪S剪切流動(dòng)時(shí),其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率之間呈非線(xiàn)性關(guān)系。

血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體都是非牛頓流體;牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物(聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠溶液等)也都是非牛頓流體。通常,這些物質(zhì)也稱(chēng)為軟物質(zhì)。

射流脹大效應(yīng)

當(dāng)水從自來(lái)水管中流出時(shí),水流的直徑與管子的直徑基本相當(dāng)。如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器流進(jìn)一根細(xì)管子,再?gòu)倪@根細(xì)管流出(擠出)時(shí),射流束的直徑就會(huì)比細(xì)管大得多,兩者之比甚至?xí)^(guò)10,這種現(xiàn)象叫做射流脹大效應(yīng)。

射流脹大效應(yīng)對(duì)于聚合物生產(chǎn)具有很重要的意義。當(dāng)塑料熔液(一種非牛頓流體)從一個(gè)矩形截面的管口流出時(shí),由于脹大效應(yīng),矩形管口長(zhǎng)邊處的塑料熔液的脹大比短邊處更加顯著,而在矩形管口長(zhǎng)邊的中央脹得最大,結(jié)果從矩形管口擠出的塑料產(chǎn)品變成了橢圓形。因此,如果要求塑料產(chǎn)品是矩形截面,就必須把擠出管的管口做成向內(nèi)凹的雙曲型,這樣,經(jīng)過(guò)脹大最終才能形成矩形截面的產(chǎn)品。

射流脹大效應(yīng)在日常生活中隨處可見(jiàn),擠牙膏就是一例。

爬桿效應(yīng)

非牛頓流體的黏彈性使得它在旋轉(zhuǎn)時(shí)也表現(xiàn)出與一般牛頓流體不同之處。在一有黏彈性流體(非牛頓流體的一種)的燒杯里,旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)桿,黏彈性流體會(huì)向杯中心運(yùn)動(dòng),并沿桿向上爬,液面變成凸形,甚至在實(shí)驗(yàn)桿的旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí),也可以觀察到這一現(xiàn)象,這一現(xiàn)象叫爬桿效應(yīng)。

大飯店做點(diǎn)心時(shí),要用攪拌機(jī)和面粉。中間那根攪拌桿四周的濕面粉(也是一種非牛頓流體)也會(huì)聚集在桿的周?chē)?產(chǎn)生爬桿效應(yīng)。

化工生產(chǎn)中常要將兩種或多種非牛頓流體混合,因此,在設(shè)計(jì)混合器時(shí),必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。此外,在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí),也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng)。

流變體

在常溫常壓下,物質(zhì)從液體變成固體一般通過(guò)冷卻完成,這個(gè)過(guò)程一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間,很難想象在幾秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)將一杯水變成冰,又將它迅速地從冰變成水。但有些非牛頓流體卻能在電場(chǎng)或磁場(chǎng)等作用下迅速實(shí)現(xiàn)物態(tài)的改變,這種流體稱(chēng)為流變體。

1947年,電流變體就被發(fā)現(xiàn)了,但直到20世紀(jì)80年代才逐漸看到電流變體(和磁流變體)的價(jià)值。在電場(chǎng)(磁場(chǎng))作用下,電(磁)流變體的表觀黏度或剪應(yīng)力有明顯的突變,這種變化可以在毫秒量級(jí)的時(shí)間間隔內(nèi)完成,而且是可逆的,一旦除去電場(chǎng)(磁場(chǎng)),又可以恢復(fù)到原來(lái)的液態(tài)。此外,這種變化又是連續(xù)的、可控制的。

電(磁)流變體的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,已用這些材料制成離合器、液壓閥、減震器等。在機(jī)器人領(lǐng)域中,可以用電流變體制造出體積小、反應(yīng)快、動(dòng)作靈活、直接用微機(jī)控制的活動(dòng)關(guān)節(jié),這種關(guān)節(jié)既可以活動(dòng)(液體狀態(tài)時(shí)),也可以在某種姿勢(shì)下保持穩(wěn)定(固體狀態(tài)時(shí))。

軟物質(zhì)

軟物質(zhì)是處于固體和理想流體之間的一切物質(zhì),包括液晶、聚合物、膠體、生物膜、泡沫、生物大分子(DNA和蛋白質(zhì)等)及顆粒物質(zhì)等。

軟物質(zhì)在自然界、生命體系、日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在,已被人類(lèi)研究使用了許多世紀(jì)。但由于其復(fù)雜性,這類(lèi)物質(zhì)的奇異特性和一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚未得到很好的認(rèn)識(shí)。20世紀(jì)80年代末開(kāi)始將軟物質(zhì)作為一類(lèi)普遍物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行研究時(shí),曾用復(fù)雜流體來(lái)稱(chēng)呼這類(lèi)物質(zhì)。這種稱(chēng)呼顯然不恰當(dāng),作為人類(lèi)最早接觸的軟物質(zhì)——橡膠,就不是流體?，F(xiàn)在,復(fù)雜流體已被正確的軟物質(zhì)概念所代替。

弱力強(qiáng)反應(yīng)

一顆紐扣電池可使液晶手表成年累月地走個(gè)不停,一滴鹵汁可使一杯豆?jié){變成豆腐,這都表明作為軟物質(zhì)的液晶、豆?jié){能對(duì)外界微小的作用作出強(qiáng)烈的反應(yīng)。橡膠硫化處理技術(shù)便利用了軟物質(zhì)的這一基本特性。天然橡膠每200個(gè)碳原子中,只要有一個(gè)原子與硫發(fā)生反應(yīng),就會(huì)使橡膠的碳?xì)滏溸B成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而使膠乳從液態(tài)變成固態(tài)。

經(jīng)硫化處理的橡膠在宏觀尺度上是固體,但微觀尺度上(如用核磁共振檢測(cè))仍然是局部液體。因此,這種固體表現(xiàn)得特別柔軟。軟物質(zhì)的“軟”的含義和物理本質(zhì)就表現(xiàn)在這層意義上。

線(xiàn)形鏈

聚合物是由一種或幾種簡(jiǎn)單單體聚合而成的長(zhǎng)鏈化合物。日常生活中接觸的物質(zhì)很多都可歸于長(zhǎng)鏈聚合物,如木頭、糧食、紡織品、塑料及絕大部分的生物材料。數(shù)百年前人們懂得了從木漿中提取纖維素制造人造纖維,但在很長(zhǎng)一段時(shí)間中,人們滿(mǎn)足于制造這些物質(zhì),而缺乏對(duì)它們的研究,未認(rèn)識(shí)到它們是由線(xiàn)形長(zhǎng) 鏈聚合物組成的。1920年前后,德國(guó)施陶丁格創(chuàng)立高分子線(xiàn)形鏈學(xué)說(shuō),證明存在由簡(jiǎn)單分子組成的線(xiàn)形聚合物。其實(shí),由簡(jiǎn)單單體聚合而成的聚合物在室溫下是相當(dāng)柔軟且具有很多構(gòu)型的,帶有很大的熵。當(dāng)一張聚合物鏈的網(wǎng)被拉伸,其多構(gòu)型的能力(即熵)就降低,因此自由能增加,這如同拉彈簧一樣,這一特性稱(chēng)為熵彈性,它是軟物質(zhì)的第二個(gè)基本特征。線(xiàn)形聚合物對(duì)于分岔形聚合物和其他片狀(網(wǎng)狀)聚合物而言占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),因?yàn)榫酆衔锏倪@種線(xiàn)形構(gòu)型最易于形成。

線(xiàn)形聚合物的構(gòu)型與量子力學(xué)中粒子軌道的統(tǒng)計(jì)性有很大的相似性,把量子力學(xué)中的時(shí)間與聚合物長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)起來(lái),量子力學(xué)知識(shí)就可以全盤(pán)用于聚合物的統(tǒng)計(jì)力學(xué)分析。量子力學(xué)所描述的微觀體系的奇異特性將體現(xiàn)在作為軟物質(zhì)的高分子體系上,從這個(gè)角度看,軟物質(zhì)的特性研究正方興未艾。

表面活性劑

構(gòu)成軟物質(zhì)的另一大類(lèi)分子是表面活性劑,雖然其分子尺寸相當(dāng)小(一二納米),卻具有兩極分化的性質(zhì):它的一端是強(qiáng)烈親水的極性端,通常是羧基; 極性端以外是單股或雙股的脂肪鏈,它們是親油的。把表面活性劑撒在水面上,表面活性劑分子的極性端一頭埋在水中,而脂肪鏈則伸向空氣一側(cè),形成單分子膜。這類(lèi)分子在水中形成雙層膜,它是兩個(gè)單層膜的復(fù)合體:親油的脂肪鏈被夾在雙層膜內(nèi),而極性端則向外形成親水界面。日常用的肥皂就是雙層膜和水分子層疊合在一起形成的表面活性劑的層狀相。

細(xì)胞膜是脂質(zhì)的雙層膜,這些膜泡外面是親水界面,因此可以在水中自由運(yùn)動(dòng)。雙層膜的熱漲落還可產(chǎn)生與膜間距三次方成反比的熱斥力,這個(gè)力的存在可以平衡范德瓦耳斯力(也是與距離的三次方成反比的吸引力),因而避免了細(xì)胞的黏連,在生物學(xué)上有重大意義。雙層膜除了形成泡外,還可以形成連綿不斷、具有復(fù)雜拓?fù)錈o(wú)序(或叫各向同性)的三維結(jié)構(gòu),稱(chēng)為海綿相。

在稀溶液狀態(tài),表面活性劑分子可以形成單純的分子球——膠束。隨著水溶液的減少,球形膠束會(huì)形成六角分布的柱狀膠束,直至形成層狀相的雙層膜疊合層。在膠體中,分散的膠粒之所以不能被范德瓦耳斯力吸引成團(tuán),很大部分原因是這些膠粒表面被表面活性劑分子所包圍,如微乳是油滴在水中的分散體系,油滴是由表面活性劑保護(hù)著的。而另外一部分膠體中的膠粒則是由聚合物保護(hù)著,如墨水中的炭黑之所以許多年也不會(huì)沉淀,則是由于墨水中加入了從洋槐樹(shù)的樹(shù)漿中提煉出來(lái)的膠汁(一種親水的高分子),這種高分子吸附在炭黑的表面,它們與水的黏合力比范德瓦耳斯力強(qiáng),使炭黑得以長(zhǎng)時(shí)間不沉淀。

總之,在軟物質(zhì)中親水與疏水作用是最重要的分子間相互作用,這也正是生物體系可歸結(jié)為軟物質(zhì)研究的原因。

fluent中使用非牛頓流體

FLUENT中比較常用的用于非牛頓流的計(jì)算的四種模型為冪律模型、Carreau 模型、Cross 模型和Herschel-Bulkley 模型。下面分別介紹這四種模型:

(1)冪律模型

在 Viscosity(粘度)右邊的下拉列表中選擇non-newtonian-power-law(非牛頓冪律),則Non-Newtonian Power Law(非牛頓冪律)面板隨即打開(kāi)。輸入項(xiàng)包括Consistency Index k(稠度指數(shù)k)、Power-Law Index n(冪律指數(shù)n)、Reference Temperature T0(參考溫度T0)、Mininum Viscosity Limit ηmin (最小粘度ηmin )和Maximum Viscosity Limit ηmax(最大粘度ηmax)。對(duì)于溫度無(wú)關(guān)的粘度值,應(yīng)該將T0設(shè)置為0。如果計(jì)算中不包含能量方程,FLUENT 用溫度的缺省值273K進(jìn)行冪律粘度計(jì)算。

(2)用于仿塑膠計(jì)算的Carreau 模型。

非牛頓流體粘度的冪律模型給出的粘度η 隨剪切速率γ的變化關(guān)系為:γ趨近于0時(shí),η趨近于η0;γ趨近于無(wú)窮大時(shí),η趨近于η∞。Carreau模型則使用曲線(xiàn)擬合將牛頓流體和剪切變薄(n<1)非牛頓流體結(jié)合在一起,從而達(dá)到模擬更大范圍流體粘度的目的。

在 Viscosity(粘度)右邊的下拉列表中選擇carreau,Carreau Model(Carreau 模型)面板隨即打開(kāi)。此時(shí)可以輸入時(shí)間常數(shù)λ、冪律指數(shù)n、參考溫度T0、零剪切粘度η0和無(wú)窮剪切粘度η∞。

(3)Cross 模型。

在 Viscosity(粘度)右邊的下拉列表中選擇cross,就可以打開(kāi)Cross Model(Cross模型)面板?？梢暂斎氲膮?shù)包括時(shí)間常數(shù)λ 、冪律指數(shù)n、參考溫度T0和零剪切粘度η0。

(4)用于計(jì)算Bingham 塑膠粘度的Herschel-Bulkley 模型。

Herschel-Bulkley 模型用于模擬在剪切應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí),剪切應(yīng)力不為零的流體的粘度。

在 Viscosity(粘度)右邊的下拉列表中選擇herschel-bulkley,則Herschel-Bulkley 模型面板將自動(dòng)打開(kāi)。面板中可以輸入的參數(shù)包括Consistency Index k(稠度指數(shù)k)、Power-Law Index n(冪律指數(shù)n)、Yield Stress Threshold τ0(屈服應(yīng)力閾值τ0 )、Yielding Viscosity μ0(屈服粘度μ0)。

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