原油流变学 粘弹性流体

1、2 2.4 .4 粘弹性流体粘弹性流体 粘弹性流体就是既具有粘性同时又具有弹性的流体。在定常剪切流场中，这种流体在外力作用下发生形变或流动，当外力消除后，它的形变会随时间回复或部分回复。粘弹性流体的流变性往往比较复杂，许多问题至今仍未得到很好地认识。一、粘弹性流体的一些流变现象一、粘弹性流体的一些流变现象1爬杆现象 2挤出胀大现象3同心套管轴向流动现象 4回弹现象5无管虹吸现象6次级流现象7紊流减阻现象二、粘弹性流体的流变特征二、粘弹性流体的流变特征1法向应力与法向应力差当力F作用于物体时，物体内部体积元所受的总应力（或物体内部某一点所受到的总应力） 可用九个应力分量 表示，或者说 可分解为九

2、个应力分量 ，其中i代表应力分量作用的平面法向方向，j代表应力分量的方向，如下图所示，可用张量表示如下。 ijij333231232221131211ij 其中，应力分量的下标1、2、3分别对应于x、y、z方向。11、 22、 33为法向应力，其它6个为剪切应力，并且， 12 21 ， 13 31 ， 23 32 。对简单的剪切流动， 13 310， 23 32 0， 故只有剪切应力12起作用。 （1）剪切粘度 为第一法向应力差，产生轴向压力，引起Weissenberg效应和挤出物胀大现象。 为第二法向应力差，产生径向压力，通常很小，并为负值。 为描述剪切流场中流体流变性随剪切速率的变化性质，

3、需要下面3个物料函数：12211N23322N 12当 时， ，称部分应力松弛，如图中的曲线b所示；当 时， ，称完全应力松弛，如图中的曲线c所示。2应力松弛 对粘弹性流体施加一恒定的应变，即保持应变随时间不变 见图中的曲线a，那么流体内所受到的应力随时间而逐渐减小，这种特性称应力松弛。（2）第一法向应力系数 （3）第二法向应力系数 对于牛顿流体， 和 均为0， 为常数。 211N 222N 1 2 tt00应力松弛曲线示意图应力松弛曲线示意图tabc3弹性滞后 理想固体的应力应变曲线为通过原点的直线，而且应力上升与下降对应的应力应变曲线完全重合，如图中的曲线a。而粘弹性流体的应力应变曲线不是

4、直线，而且其应力上升与下降对应的应力应变曲线不重合，如图中的曲线b，这种特性称弹性滞后。滞后环的面积与应变随时间的变化速率有关，即应力是应变与时间的函数。弹性滞后曲线示意图弹性滞后曲线示意图 ab4蠕变与回复 对理想固体施加一恒定的应力时，固体中瞬间产生对应的应变；当应力消除时，产生的应变也瞬间完全回复。对理想流体施加恒定的应力时，流体内产生的应变会随应力作用时间的增加而逐渐增大；当应力消除后，流体内产生的应变不会回复。对粘弹性流体，对于应力的突然施加与突然消除，得到的应变时间曲线是介于理想固体与理想流体之间的独特的特性曲线。在应力施加阶段的应变时间曲线为蠕变曲线，在应力消除后对应的应变时间曲线为回复曲线。 蠕变与回复曲线蠕变与回复曲线 5线性粘弹性与非线性粘弹性 流体的粘弹性可分为线性粘弹性和非线性粘弹性。线性粘弹性即应力、应变和应变速率之间成线性关系。粘弹性流体往往只能在较小的形变或形变速率下才出现线性特性。在较大的应变或剪切速率下，应力、应变和应变速率之间一般不成线性关系，即流体呈现非线性粘弹性。对非线性粘弹性状态下的流体，所测的流变性数