6非牛顿流体.

工程流体力学11六、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。工程流体力学22六、非牛顿流体的流动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。dydu工程流体力学33六、非牛顿流体的流动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、无管虹吸工程流体力学44六、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）。工程流体力学55六、非牛顿流体的流动二、牛顿流体的流变性1.流变方程：2.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，其斜率为动力粘度的倒数，即dydudydu1tan工程流体力学66六、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）。dydududydydu)(00极限动切应力塑性粘度表观粘度（视粘度）工程流体力学77六、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）。0工程流体力学88六、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。00dydududy001工程流体力学99六、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，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：ndyduk)(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。工程流体力学1010六、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，拟塑性流体，n越小，表明拟塑性流体和牛顿流体的流变性差别越大。K越大，粘度越大。故拟塑性流体两大特性参数：n,k3）当n1时，为膨胀性流体。ndyduk)(工程流体力学1111六、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，这种特性称为剪切稀释性。工程流体力学1212六、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。ndyduk)(n1工程流体力学1313六、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。工程流体力学1414六、非牛顿流体的流动非牛顿流体的分类工程流体力学1515六、非牛顿流体的流动工程流体力学1616六、非牛顿流体的流动工程流体力学1717六、非牛顿流体的流动工程流体力学1818六、非牛顿流体的流动6.2塑性流体工程流体力学1919六、非牛顿流体的流动工程流体力学2020六、非牛顿流体的流动工程流体力学2121六、非牛顿流体的流动工程流体力学2222六、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：212222211122LhgvgpZgvgpZ1、2、3、2211AQAQAvQ工程流体力学2323六、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。)2(02RLRpLpR20工程流体力学2424六、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。工程流体力学2525六、非牛顿流体的流动工程流体力学2626六、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：)61(Re0vdvd综2000Re2000Re综综结构流紊流工程流体力学2727六、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：)81(Re0vdvd当环dDRd＝＝环当42000Re2000Re环环结构流紊流工程流体力学2828六、非牛顿流体的流动2、塑性流体的水头损失jfLhhh工程流体力学2929六、非牛顿流体的流动工程流体力学3030六、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τ0=1N/㎡,塑性粘度η=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、选公式求损失工程流体力学3131六、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Δp即是将沿程水头损失用压差形式来表示。fghp损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；422208)(22edQpgpgAgHAQ头头所以：2222112211,,dndnddndne则水眼有效直径：个个若有钻头水眼有效直径工程流体力学3232六、非牛顿流体的流动六、钻井泵的泵压和功率的计算•钻井泵的功率计算公式：1000QpN泵泵•钻井泵的泵压计算公式：局环头挺杆地面头挺杆地面泵局环pppppphhhhhhggEpLLLLLLL(0工程流体力学3333六、非牛顿流体的流动工程流体力学3434六、非牛顿流体的流动【例6-4】：P149工程流体力学3535六、非牛顿流体的流动6.3幂律流体（自学）