牛顿流体
受力后极易变形的低粘性流体
牛顿流体,是指在受力后极易变形,且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。
定义
凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体
牛顿内摩擦定律表达式:
式中:τ--所加的切应力;
γ--速度梯度(流速梯度);
μ--度量液体粘滞性大小的物理量,简称为黏度,物理意义是产生单位剪力速率所需要的剪切应力
流体力学的角度来说,凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体。
所谓服从内摩擦定律是指在温度不变的条件下,随着流速梯度的变化,μ值始终保持一常数
数学表达式
假设流体各向同性的,应力张量和变形速率张量呈线性齐次函数关系,则它们之间的最一般线性关系式为:
式中为应力张量,,p为各向同性压力,为偏应力张量;为变形速率张量;为各向同性体积变形速率张量;为克罗内克符号;为膨胀粘性系数。式(2)就是广义牛顿粘性定律的数学表达式。
公式(1)(2)是牛顿流体的重要标志,也是确定流体流动时必不可少的本构方程
具体内容
任一点上的剪应力都同剪力变形速率呈线性函数关系的流体。最简单的牛顿流体流动是二无限平板以相对速度U相互平行运动时,两板间粘性流体的低速定常剪切运动(或库埃特流动)。
1687年,I.艾萨克·牛顿首先做了最简单的剪切流动实验。他的实验如图所示。在平行平板之间充满粘性流体,平板间距为d,下板B静止不动,上板C以速度U在自己平面内等速平移。由于板上流体随平板一起运动,因此附在上板的流体速度为U,附在下板的流体速度为零。实验指出,两板之间的速度分布服从线性规律。作用在上板的力同板的面积、板的运动速度成正比,同间距d成反比。由此得出:
(1) 式中τ为剪应力;为剪力变形速率;μ为流体动力粘性系数(即粘度)。这就是著名的牛顿粘性定律。凡是符合此定律的流体称为牛顿流体,否则是非牛顿流体(见非牛顿流体力学)。假设流体各向同性的,应力张量和变形速率张量呈线性齐次函数关系,则它们之间的最一般线性关系式为:
(2) 式中为应力张量;,P为各向同性压力,为偏应力张量;sij为变形速率张量;为各向同性体积变形速率张量;δij为克罗内克符号;μ┡为膨胀粘性系数。式(2)就是广义牛顿粘性定律的数学表达式。公式(1)(2类流体按压缩性的大小分气体和液体。气体极易压缩,亦称称为可压缩流体;液体几乎不可以压缩,既称为不可压缩流体。流体按变形特点又分为牛顿流体和非牛顿流体。非牛顿流体许多液体包括聚合物的熔体和浓溶液,聚合物分散体系(如胶乳)以及填充体系等并不符合牛顿流动定律,这类液体统称为非牛顿流体。 (1)尤金·宾汉(Bingham)流体或塑难易程度,仅对其流动性的好坏作一个大致性相对的比较。表观粘度大则流动性差。幂律定律: 式中:K——稠度系数,是一种材料常数 n——流动指数或非牛顿指数 当时,流动属于牛顿型,K即为粘度;当n不等于1时,n表示该流体与牛顿流体的偏离程度,故n称为非牛顿指数;当时,属假塑性体。稠度或导数粘度:流动曲线上任意点的斜率,为该切变速率下的稠度或微分粘度。 (3)胀塑体特点:无屈服应力,一个无限小的剪力应力就能使其开始运动。其表观粘度随切变速率的增大而增大,故称作切力增稠体。非牛顿指数 悬浮体和聚合物-填料 (4)依时性非牛顿流体特点:指恒温、恒γ情况下,粘度随受剪时间而变化的流体。分触变体和流凝体两种。
应用
自然界中许多流体是牛顿流体。水、乙醇等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体;有机高分子化合物聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。
参考资料

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目录
概述
定义
数学表达式
具体内容
应用
参考资料