非牛顿流体的传递过程特性2014

非牛顿流体的传递过程特性,讲课人：000办公室：000电话：000Email：000000,上课安排总计：40学时，2014年第一学期：第316周(共14次)，每周四18:0020:25其中:国庆节放假1次，实验4次，考试1次(第16周)（开卷）。实际讲课：共78讲（含复习）。考试70分,课堂作业与实验30分.,主要参考书,1、化工原理上册2、非牛顿流体的流动、混合和传热王凯编著，浙江大学出版社3、实用流变测量学GebhardSchramm著，李晓晖译石油工业出版社4、化工流体力学戴干策、陈敏恒著，化学工业出版社5、混合设备设计王凯、冯连芳著，机械工业出版社6非牛顿流体力学及其运用沈仲棠、刘鹤年编北京高等教育出版社,第一章非牛顿流体的基本性质,第二章描述非牛顿流体的基本方程本构方程,第三章纯粘性非牛顿流体的流动,第四章流变测量粘度测量,第五章非牛顿流体的管内传热（自学为主）,第六章悬浮液流变学,第七章粘弹性流体的流变特性,第八章非牛顿流体在搅拌釜中的流动及传热,非牛顿流体的传递过程特性,第一章非牛顿流体的基本性质,1.1什么是非牛顿流体,要求：了解非牛顿流体的基本定义、基本特征、基本类型,问题1)流体在直管中流动的阻力hf(化工原理)(见下图）,现实工程设计中的问题：,hf=?hf=（L/d）u2/2,=?,摩擦阻力系数图,层流：=64/Re;湍流：=f(Re,/d)层流or湍流?,=？,Re=ud/,问题2)直管中管壁的传热膜系数h(or)（换热器设计）,湍流:h(or)=0.023Re0.8Pr0.4Re=ud/Pr=cp/,问题3)颗粒在液体中的沉降速度（旋风分离器设计）,同一个问题：=？,=？,ut=gdp2(p-)/(18),聚丙烯酰胺（PAM）水溶液?,聚氯乙烯熔液?牙膏?血液?泥浆?油漆？.,例如：,试计算20C的水与0.5%聚丙烯酰胺（PAM）水溶液在管内径为10mm直管内以10m/s和1m/s的速度流动时的流动雷诺数。,u=1m/s：Re1=ud/=1000*1*0.01/0.001=100002300,u=10m/s:Re10=ud/=1000*10*0.01/0.001=1000002300,水:d=0.01m,=998kg/m3(20C)=1.005mPa.s=0.001Pa.s,聚丙烯酰胺（PAM）水溶液：=998kg/m3(20C),Re1=ud/=1000*1*0.01/(0.025)=4002300,如:u=10m/s:10=0.001Pa.s（实验测量）,粘度=？,在相同温度下（20C），不同流速测量：,本课的目的:了解在物性手册上不能确定粘度值的流体(非牛顿流体)的流动(与传热)的基本特征。,非牛顿流体!,为什么？,类似物体：巧克力、涂料、润滑脂、鸡蛋清粘度不是物性，在物性手册上没有粘度的值。,聚合物熔体粘度：103-106cPRe差103倍，层流or湍流?,1-1-1什么叫流体（Fluid）,简言之：流动的物体。严格讲：任何微小剪切力作用都能连续变形的物质。(受拉伸等不在此课讲),空气中单个分子运动不叫流动，空气运动叫流动,如：一块石头滚动，不叫流动；泥石流（大量石头）运动，叫流动。,3)假设为无空隙的连续体,2)只研究流体质点（大量分子）宏观运动,1)流体由大量分子（质点）组成,三个特点:,1-1-2什么叫牛顿流体,牛顿粘性定律（化工原理）（内摩擦定律）：两流体层之间单位面积上的内摩擦力（剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度成正比。即：,a)剪切应力:,在F作用下，平板以U0沿x方向运动，平板下面的流体将随平板向x方向运动(原因?),比例系数，叫粘性系数，或动力粘度简称粘度（viscosity）,几个重要名称:,流体对平板的反作用力（分子碰撞等）,沿与流动方向垂直（法向）方向流体速度随位置的变化率,b)速度梯度：,见前图,y0,c)粘度：表征剪切应力与速度梯度的关系,对牛顿流体粘度：,=常数,与,流体对平板的反作用力（分子碰撞等）的大小，即流体粘性的大小可用（粘度）表示。,空气(很小)；沥青(很大)；水(居中)。,对不同的流体，要保证相同的速度变化(变形)，所施加的力F是不同的。,（如图）,空气,水,沥青,沥青,水,空气,定义：牛顿流体-满足牛顿粘性定律（线性)的流体。注意:直线过零点!,牛顿流体在恒定温度下，为一确定值,常见物质20下的粘度（）值厘泊cP,1-1-3什么是非牛顿流体（Non-NewtonianFluid）,/0or/0,在温度恒定，其他条件恒定下：=f(du/dy)=g(),对不同的非牛顿流体，有不同的f()的形式，如图,du/dy:叫速度梯度,也叫剪切速率或剪切变形速率等,牛顿流体,非牛顿流体,牛顿流体实际是非牛顿流体中的一种特例。,流变学（Rheology）.（流动与变形速率（变形）之间的关系）,叫表观粘度，牛顿流体a=cont.,1-1-4常见的非牛顿流体,1、巧克力类食品工业中的糊状物，浓悬浮液，乳浊液，人造奶油、生面团、鸡蛋清,11、印刷油墨、圆珠笔油墨.,10、搪瓷釉浆,9、发酵液,8、纸浆,7、油漆、涂料,6、大多数高分子溶液和聚合物熔体,5、污泥、泥浆、石油工业中钻井泥浆,4、牙膏，化妆品、洗涤剂,3、润滑脂、润滑油等,2、生物流体：血液、呼吸系统中的粘液、关节液,1-2非牛顿流体的基本类型,1-2-1假塑性流体pseudoplasticFluid,特点如下：,剪切变稀shear-thinning,例如:在聚合反应釜内，在有机械搅拌（即有剪切下）物料的粘度为2000cP可以从釜内放出。如停止搅拌（没有剪切）则物料粘度可达20000cP以上，很难从釜内放出。,常见流体：大多数高分子熔体，聚合物溶液。,现象：流速越大（速度梯度越大），粘度越小，流动越快。,1-2-2胀（涨）塑性流体（Dilatant）,特点如下：,胀塑性:剪切变稠，流速越大（速度梯度越大），粘度越大，流动越慢,例：和芝麻酱，用勺搅拌，是快搅好搅，还是慢搅好搅？,常见流体：淀粉液，芝麻酱。固体体积分率4047%的固液悬浮液等。,1-2-3宾汉（Bingham）流体塑性流体,广义宾汉流体,特点如下：,0流动,如：牙膏、泥浆,1-2-4依时性流体,除外，a还与剪切时间t有关,与固体类似，当外力撤除后，流体的部分变形会恢复，像弹簧一样。而部分变形不恢复，同时具有粘性变形。如聚丙烯酰胺水溶液从管中流出时，如果关闭阀门流出的部分流体会从管口收缩回管内。,（1）粘弹性流体(visco-elasticFluid),（2）触变流体（Thixot-ropicFluid）,恒定剪切速率，外力作用时间t越长，粘度变小。停止作用，粘度又变大。,如：涂料、番茄酱等。用涂料刷墙，要慢刷（?）。,（3）反触变流体震凝流体,如：饱和树脂，比较少见。,a,t,0,=0,1-3非牛顿流体的某些流动现象,1-3-1管内剪切变稀现象,牛顿流体CMC水溶液从注射器流出（假塑性流体）,判断哪个是牛顿?提示：出口Re？,1-3-2爬杆现象（韦森堡效应）WeissenbergEffect1944年发现,牛顿流体PAM水溶液（粘弹性流体）,搅拌实验(传热面变?),1-3-3挤出胀大和弹性回复,牛顿流体,PAM水溶液,1-3-4无管虹吸,PAM水溶液,牛顿流体,无管虹吸演示,1-3-5尤伯拉效应,牛顿流体,气泡,PAM水溶液,1-3-6减阻效应（TomsEffect）1948年发现,例如：在消防车中加入少量PAM(几十个ppm)可使水龙头喷射高度增加1/3以上。,1-3-7搅拌槽中的反向次流,牛顿流体,PAM水溶液,1-3-8电流变现象,在强电场下，液体内形成链状结构,粘度增高，变为粘塑性固体，不流动。去电场后，极短时间内恢复为原状，又可活动。,演示1,2,3,4（视频文件）,其它现象,对上述现象的解释,剪切变稀：,静止流动,静止流动,静止流动,静止流动,高分子溶液的分子缠结理论：,牛顿流体粘弹性流体,由高分子的弹性产生的法向应力所致。像橡皮圈，受力后拉伸，撤离后分子形态要恢复，具有“记忆”能力。如图,静止时大分子互相缠结，流动时大分子的缠结点减少，分子变直，流动阻力减少，。,爬杆现象：,法向应力可以说明3，4，7等现象。对非牛顿流体流动现象的解释并不是非常令人信服的。需进一步研究。例如：胀塑性流体“吸干”效应高固含流体,低剪切下，填充固体粒子之间充满液体(少量)，润滑好，易流动高剪切下，变疏松，液体被吸进大空隙中了,干固体粒子之间由于摩擦阻力增大，难流动。,静止流动,例如：触变性流体高固含微粒。由于微粒带有静电，形成特定的结构,静止时流动时重新静止,静止时低剪切力大，流动时有剪切力结构破坏易变形，重新静止（低剪切）结构恢复不能解释，时间长短的影响。,作业,第二章描述非牛顿流体的基本方程本构方程,本构方程-描述剪切力与切剪速率(速度梯度)的关系式2、1基本名称2、11速度梯度/剪切速率/剪切变形速率/切变率,切变率：单位时间微元相邻两边之间的夹角变化(形变快慢）。,流体微元在流动中的变形如下（受剪切力）:,切变率与速度梯度相同?,速度梯度:,流动快慢,切变率：,切变率与速度梯度相同.单位：s-1,“-”号，随t,2.12剪切应力/切应力,剪切正、反方向的力不在同一平面（轴线）。与流体受拉、压不同（同一轴线）,切应力方向与受力面平行,2、13粘度/表观粘度,表观粘度：,1Pa