什么是非牛頓流體？

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源: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時,其剪應力與剪應變率成正比關(guān)系。后來發(fā)現(xiàn),只有水和空氣等流體才滿足這種剪應力與剪應變率的線性關(guān)系,它們也因此被稱為牛頓流體。生活和生產(chǎn)中的大多數(shù)流體屬于非牛頓流體,它們在作一維剪切流動時,其剪應力與剪應變率之間呈非線性關(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)也稱為軟物質(zhì)。

射流脹大效應

當水從自來水管中流出時,水流的直徑與管子的直徑基本相當。如果非牛頓流體被迫從一個大容器流進一根細管子,再從這根細管流出(擠出)時,射流束的直徑就會比細管大得多,兩者之比甚至會超過10,這種現(xiàn)象叫做射流脹大效應。

射流脹大效應對于聚合物生產(chǎn)具有很重要的意義。當塑料熔液(一種非牛頓流體)從一個矩形截面的管口流出時,由于脹大效應,矩形管口長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)過脹大最終才能形成矩形截面的產(chǎn)品。

射流脹大效應在日常生活中隨處可見,擠牙膏就是一例。

爬桿效應

非牛頓流體的黏彈性使得它在旋轉(zhuǎn)時也表現(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)實驗桿,黏彈性流體會向杯中心運動,并沿桿向上爬,液面變成凸形,甚至在實驗桿的旋轉(zhuǎn)速度很低時,也可以觀察到這一現(xiàn)象,這一現(xiàn)象叫爬桿效應。

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

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

流變體

在常溫常壓下,物質(zhì)從液體變成固體一般通過冷卻完成,這個過程一般需要較長的時間,很難想象在幾秒甚至更短的時間內(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或磁場等作用下迅速實現(xiàn)物態(tài)的改變,這種流體稱為流變體。

1947年,電流變體就被發(fā)現(xiàn)了,但直到20世紀80年代才逐漸看到電流變體(和磁流變體)的價值。在電場(磁場)作用下,電(磁)流變體的表觀黏度或剪應力有明顯的突變,這種變化可以在毫秒量級的時間間隔內(nèi)完成,而且是可逆的,一旦除去電場(磁場),又可以恢復到原來的液態(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。在機器人領(lǐng)域中,可以用電流變體制造出體積小、反應快、動作靈活、直接用微機控制的活動關(guān)節(jié),這種關(guān)節(jié)既可以活動(液體狀態(tài)時),也可以在某種姿勢下保持穩(wěn)定(固體狀態(tài)時)。

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,已被人類研究使用了許多世紀。但由于其復雜性,這類物質(zhì)的奇異特性和一般運動規(guī)律尚未得到很好的認識。20世紀80年代末開始將軟物質(zhì)作為一類普遍物質(zhì)形態(tài)進行研究時,曾用復雜流體來稱呼這類物質(zhì)。這種稱呼顯然不恰當,作為人類最早接觸的軟物質(zhì)——橡膠,就不是流體。現(xiàn)在,復雜流體已被正確的軟物質(zhì)概念所代替。

弱力強反應

一顆紐扣電池可使液晶手表成年累月地走個不停,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){能對外界微小的作用作出強烈的反應。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個碳原子中,只要有一個原子與硫發(fā)生反應,就會使橡膠的碳氫鏈連成網(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)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。

線形鏈

聚合物是由一種或幾種簡單單體聚合而成的長鏈化合物。日常生活中接觸的物質(zhì)很多都可歸于長鏈聚合物,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,但在很長一段時間中,人們滿足于制造這些物質(zhì),而缺乏對它們的研究,未認識到它們是由線形長鏈聚合物組成的。1920年前后,德國施陶丁格創(chuàng)立高分子線形鏈學說,證明存在由簡單分子組成的線形聚合物。其實,由簡單單體聚合而成的聚合物在室溫下是相當柔軟且具有很多構(gòu)型的,帶有很大的熵。當一張聚合物鏈的網(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,這一特性稱為熵彈性,它是軟物質(zhì)的第二個基本特征。線形聚合物對于分岔形聚合物和其他片狀(網(wǎng)狀)聚合物而言占有絕對優(yōu)勢,因為聚合物的這種線形構(gòu)型最易于形成。

線形聚合物的構(gòu)型與量子力學中粒子軌道的統(tǒng)計性有很大的相似性,把量子力學中的時間與聚合物長度對應起來,量子力學知識就可以全盤用于聚合物的統(tǒng)計力學分析。量子力學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)的另一大類分子是表面活性劑,雖然其分子尺寸相當小(一二納米),卻具有兩極分化的性質(zhì):它的一端是強烈親水的極性端,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。這類分子在水中形成雙層膜,它是兩個單層膜的復合體: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動。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),因而避免了細胞的黏連,在生物學上有重大意義。雙層膜除了形成泡外,還可以形成連綿不斷、具有復雜拓撲無序(或叫各向同性)的三維結(jié)構(gòu),稱為海綿相。

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,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著的。而另外一部分膠體中的膠粒則是由聚合物保護著,如墨水中的炭黑之所以許多年也不會沉淀,則是由于墨水中加入了從洋槐樹的樹漿中提煉出來的膠汁(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,使炭黑得以長時間不沉淀。

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。輸入項包括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)。對于溫度無關(guān)的粘度值,應該將T0設置為0。如果計算中不包含能量方程,FLUENT 用溫度的缺省值273K進行冪律粘度計算。

(2)用于仿塑膠計算的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,η趨近于η0;γ趨近于無窮大時,η趨近于η∞。Carreau模型則使用曲線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。此時可以輸入時間常數(shù)λ、冪律指數(shù)n、參考溫度T0、零剪切粘度η0和無窮剪切粘度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Cross Model(Cross模型)面板?？梢暂斎氲膮?shù)包括時間常數(shù)λ 、冪律指數(shù)n、參考溫度T0和零剪切粘度η0。

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

Herschel-Bulkley 模型用于模擬在剪切應變?yōu)榱銜r,剪切應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 模型面板將自動打開。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(屈服應力閾值τ0 )、Yielding Viscosity μ0(屈服粘度μ0)。

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