非牛顿流体ppt课件

1、六、非牛顿流体的流动,第六章、非牛顿流体的流动,本章将介绍几种常见的非牛顿流体，重点研究塑性流体运动的基本规律，并讨论塑性流体压力损失计算方法及幂律流体的运动规律,按照流体流动时的切应力和速度梯度之间的关系，将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。 1、牛顿流体 切应力和速度梯度之间符合牛顿内摩擦定律的流体，为牛顿流体，如：水、汽油、及空气等低分子量的流体。 2、非牛顿流体 切应力和速度梯度之间不符合牛顿内摩擦定律的流体，为非牛顿流体，如：如高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品、牙膏以及含微细颗粒较多的悬浮液、分散体、乳浊液、沥青、润滑脂、增粘液及化工上高分子量的流体,2,六、非牛顿流体的流动

2、,许多非牛顿流体常表现出明显的弹性。下图是流体的三种弹性行为,流体的弹性表现 a、爬杆效应 ； b、挤出胀大； c、无管虹吸,3,六、非牛顿流体的流动,6.1 非牛顿流体的流变性,一、流变性 流体流动与变形的特性称为流变性。流变性可用流变曲线或流变方程来表示。 1、流变曲线 流体切应力与其速度梯度之 间的关系曲线称为流变曲线。 2、流变方程 流体切应力与其速度梯度 之间的数学表达式称为流变方 程（本构方程,4,六、非牛顿流体的流动,二、牛顿流体的流变性,流变方程： 特点： （1）受到外力作用就流动； （2）在恒温恒压下， 与 的比值为常数即粘度为常数； （3）流变曲线是通过原点的直线，其斜率为

3、动力粘度的倒数，即,5,六、非牛顿流体的流动,三、非牛顿流体的流变性,1、塑性流体 特征：由液体及悬浮在其中的固体微粒所组成的胶状体。如含蜡原油、牙膏、泥浆、润滑脂等。 当塑性流体速度达到一定程度时，其流变方程可用宾汉公式表示（也称宾汉流体,极限动切应力,塑性粘度,表观粘度 （视粘度,6,六、非牛顿流体的流动,塑性流体特点： （1）塑性流体的流变性与牛顿流体不同，受力后，不能立即变形流动。 （2）流动初期切应力与速度梯度之间呈曲线关系，粘度随切应力增大而降低，随速度梯度的增大，切应力逐渐减弱，最后接近牛顿流体，成直线关系，流体的粘度不再随切应力的增加而变化，称为塑性粘度。 （3）塑性流体两个极

4、限应力 极限静切应力 -使塑性流体开始流动的最小切应力。 极限动切应力 -塑性流体流变曲线直线段的延长线与横坐标轴的交点对应的切应力，是塑性流体流动时经常克服的与粘度和速度梯度无关的定值切应力，常用于分析塑性流体的流动问题。 （4）塑性流体存在塑性粘度和视粘度（表观粘度,7,六、非牛顿流体的流动,如图示：表观粘度 随速度梯度的增大而减小。 而塑性粘度 和动切应力相对为常数。故该两参数为反映塑性流体流变性能的重要参数，即特性参数。 和 可用毛细管粘度计和旋转粘度计测定,8,六、非牛顿流体的流动,2、拟塑性流体（假塑性流体） 高分子溶液、乳化液等，结构性较若，受到力后就立即流动且不具有极限静切力，

5、与塑性流体流动初期情况有点相似，即其表观粘度随切应力增大而降低（越搅动越稀薄），称为拟塑性流体。 其流变方程以幂定律形式表示,稠度系数,流性指数,凡是流变规律符合幂定律形式的流体，称为幂律流体,9,六、非牛顿流体的流动,流性指数n反映了拟塑性流体的流变性偏离牛顿流体的程度。 1）当n=1时，为牛顿流体流变方程。 2）当n1时，为膨胀性流体,10,六、非牛顿流体的流动,拟塑性流体的特点： 受力后立即流动，流变曲线经原点，因其结构性较弱，随着剪切速度的增加，网状结构被破坏，质点的相互位置得到调整，并顺着流动方向定向，导致施加于流体的切应力相互减少，从而使流变曲线凹向切应力轴，粘度下降，愈拌愈稀，这

6、种特性称为剪切稀释性,11,六、非牛顿流体的流动,3、膨胀性流体 膨胀性流体流变方程： 拟塑性流体和膨胀性流体统称为幂律流体,n1,12,六、非牛顿流体的流动,膨胀性流体的特点,受力后立即流动，流变曲线经原点。所含颗粒形状极不规则，静止时紧密排列的颗粒嵌入邻近层的空隙中，流动后随着剪切速度的增加，中间层颗粒来不及嵌入邻近的空隙中就被稳定推过，因而发生膨胀，粘度增加，即愈拌愈稠。这种特性称为剪切增稠性。停止剪切后马上恢复，流变曲线凸向切应力轴,13,六、非牛顿流体的流动,非牛顿流体的分类,14,六、非牛顿流体的流动,15,六、非牛顿流体的流动,16,六、非牛顿流体的流动,17,六、非牛顿流体的流

7、动,6.2 塑性流体,18,六、非牛顿流体的流动,19,六、非牛顿流体的流动,20,六、非牛顿流体的流动,21,六、非牛顿流体的流动,二、塑性流体基本流动方程,由于遵循质量、能量守恒规律，故牛顿流体的三大方程同时适于塑性流体,1,2,3,22,六、非牛顿流体的流动,三、流动状态,塑性流体在圆管中的流态为结构流和紊流,23,六、非牛顿流体的流动,流动状态,塑性流体由静止到运动，随着流速由小变大，有四种流动状态。即塞流、结构流、层流和湍流。 1、塞流：当塑性流体半径R处的推动力超过了由于极限静切应力所引起的阻力时，流体整体象活塞一样在管内流动，称为流核。 2、结构流：随两端压差增大，小于半径R的各

8、流层依次开始流动，形成塞流的流核半径逐渐缩小，而流核以外部分各流层间速度不同，形成流速梯度为梯度区。 3、层流、湍流：两端的压差再增大，流核全部消失，梯度区扩大形成层流；随两端压差继续增大，则由层流变为湍流,24,六、非牛顿流体的流动,25,六、非牛顿流体的流动,四、水头损失的计算,1、流态的判别：（同牛顿流体用雷诺数） 1）、圆管综合雷诺数,结构流,紊流,26,六、非牛顿流体的流动,2)塑性流体在环形空间流动时的综合雷诺数,结构流,紊流,27,六、非牛顿流体的流动,2、塑性流体的水头损失,28,六、非牛顿流体的流动,29,六、非牛顿流体的流动,例6-1】在钻井工程中，某钻杆内径d=94mm,井深H=1000m,泥浆的相对密度1.2，流量Q=25L/s.该泥浆屈服应力0=1N/,塑性粘度=0.01Pa.s,判泥浆流态，并计算沿程水头损失,解析： 1、求流速，判流态,2、由流态，定阻力系数,3、选公式求损失,30,六、非牛顿流体的流动,五、钻头水眼处压力损失计算,1、压力损失p 即是将沿程水头损失用压差形式来表示,2、经过钻头水眼的压力损失可由孔口和管嘴出流的流量公式来计算,钻头水