非牛顿流体的传递过程特性2014-1

《非牛顿流体的传递过程特性》•讲课人：000•办公室：000•电话：000•Email：000•000•上课安排•总计：40学时，•2014年第一学期：第3~16周(共14次)，每周四18:00~20:25•其中:国庆节放假1次，实验~4次，考试1次(第16周)（开卷）。实际讲课：共7~8讲（含复习）。•考试70分,课堂作业与实验30分.主要参考书•1、《化工原理》上册•2、《非牛顿流体的流动、混合和传热》王凯编著，浙江大•学出版社•3、《实用流变测量学》GebhardSchramm著，李晓晖译•石油工业出版社•4、《化工流体力学》戴干策、陈敏恒著，化学工业出版社•5、《混合设备设计》王凯、冯连芳著，机械工业出版社•6《非牛顿流体力学及其运用》沈仲棠、刘鹤年编北京高等•教育出版社第一章非牛顿流体的基本性质第二章描述非牛顿流体的基本方程—本构方程第三章纯粘性非牛顿流体的流动第四章流变测量—粘度测量第五章非牛顿流体的管内传热（自学为主）第六章悬浮液流变学第七章粘弹性流体的流变特性第八章非牛顿流体在搅拌釜中的流动及传热《非牛顿流体的传递过程特性》第一章非牛顿流体的基本性质§1.1什么是非牛顿流体要求：了解非牛顿流体的基本定义、基本特征、基本类型问题1)流体在直管中流动的阻力hf(化工原理)(见下图）现实工程设计中的问题：hf=?hf=λ（L/d）u2/2d/2uλ=?摩擦阻力系数图d层流：λ=64/Re;湍流：λ=f(Re,ε/d)层流or湍流?μ=？Re=ρud/μ问题2)直管中管壁的传热膜系数h(orα)（换热器设计）湍流:h(orα)=0.023Re0.8Pr0.4Re=ρud/μPr=cpμ/λ问题3)颗粒在液体中的沉降速度（旋风分离器设计）同一个问题：μ=？μ=？ut=gdp2(ρp-ρ)/(18μ)聚丙烯酰胺（PAM）水溶液?聚氯乙烯熔液?牙膏?血液?泥浆?油漆？…….例如：试计算20°C的水与0.5%聚丙烯酰胺（PAM）水溶液在管内径为10mm直管内以10m/s和1m/s的速度流动时的流动雷诺数。u=1m/s：Re1=ρud/μ=1000*1*0.01/0.001=100002300u=10m/s:Re10=ρud/μ=1000*10*0.01/0.001=1000002300水:d=0.01m,ρ=998[kg/m3](20°C)μ=1.005[mPa.s]=0.001[Pa.s]聚丙烯酰胺（PAM）水溶液：ρ=998[kg/m3](20°C)Re1=ρud/μ=1000*1*0.01/(0.025)=4002300u=1m/s：μ1=25μ10=0.025[Pa.s]（实验测量）Re10=ρud/μ=1000*10*0.01/0.001=1000002300如:u=10m/s:μ10=0.001[Pa.s]（实验测量）粘度μ=？在相同温度下（20°C），不同流速测量：本课的目的:了解在物性手册上不能确定粘度值的流体(非牛顿流体)的流动(与传热)的基本特征。非牛顿流体!为什么？类似物体：巧克力、涂料、润滑脂、鸡蛋清…粘度不是物性，在物性手册上没有粘度的值。聚合物熔体粘度：~103---106[cP]Re差~103倍，层流or湍流?1-1-1什么叫流体（Fluid）简言之：流动的物体。严格讲：任何微小剪切力作用都能连续变形的物质。(受拉伸等不在此课讲)空气中单个分子运动不叫流动，空气运动叫流动如：一块石头滚动，不叫流动；泥石流（大量石头）运动，叫流动。3)假设为无空隙的连续体2)只研究流体质点（大量分子）宏观运动1)流体由大量分子（质点）组成三个特点:1-1-2什么叫牛顿流体ΔY牛顿粘性定律（化工原理）（内摩擦定律）：两流体层之间单位面积上的内摩擦力（剪应力）τ与垂直于流动方向的速度梯度成正比。即：a)剪切应力:][][][作用面积剪切2PamN力AF在F作用下，平板以U0沿x方向运动，平板下面的流体将随平板向x方向运动(原因?)dyduμ比例系数，叫粘性系数，或动力粘度简称粘度（viscosity）几个重要名称:流体对平板的反作用力（分子碰撞等）dydu沿与流动方向垂直（法向）方向流体速度随位置的变化率b)速度梯度：yUU12见前图⊿y→0c)粘度μ：表征剪切应力与速度梯度的关系对牛顿流体粘度：速度梯度剪切应力dydu=常数,无关or与流体对平板的反作用力（分子碰撞等）的大小，即流体粘性的大小可用μ（粘度）表示。空气(很小)；沥青(很大)；水(居中)。对不同的流体，要保证相同的速度变化(变形)，所施加的力F是不同的。（如图）τμ空气水沥青沥青水空气定义：牛顿流体—-满足牛顿粘性定律（线性)的流体。注意:直线过零点!牛顿流体在恒定温度下，μ为一确定值常见物质20℃下的粘度（μ）值[厘泊][cP]空气汽油水水银纯甘油沥青1.81×10-20.651.005151499～1081-1-3什么是非牛顿流体（Non-NewtonianFluid）∂μ/∂τ≠0or∂μ/∂≠0在温度恒定，其他条件恒定下：μ=f(du/dy)=g(τ)不满足牛顿粘性定律的流体，或者剪切应力与速度梯度不是正比关系(非线性）的流体，或者比例系数（粘度）不是常数，而是与或dydu有关的流体,即:对不同的非牛顿流体，有不同的f()的形式，如图du/dy:叫速度梯度,也叫剪切速率或剪切变形速率等∞牛顿流体非牛顿流体牛顿流体实际是非牛顿流体中的一种特例。－流变学（Rheology）.（流动与变形速率（变形）之间的关系）之间关系的科学变形率与研究流体)()(ordydu叫表观粘度，牛顿流体μa=μ=cont.a定义之间的关系与确定研究方法)(:or1-1-4常见的非牛顿流体1、巧克力类－食品工业中的糊状物，浓悬浮液，乳浊液，人造奶油、生面团、鸡蛋清…11、印刷油墨、圆珠笔油墨……..10、搪瓷釉浆9、发酵液8、纸浆7、油漆、涂料6、大多数高分子溶液和聚合物熔体5、污泥、泥浆、石油工业中钻井泥浆4、牙膏，化妆品、洗涤剂3、润滑脂、润滑油等2、生物流体：血液、呼吸系统中的粘液、关节液1-2非牛顿流体的基本类型1-2-1假塑性流体－pseudo－plasticFluid∞∞∞特点如下：剪切变稀－shear-thinning例如:在聚合反应釜内，在有机械搅拌（即有剪切下）物料的粘度为～2000cP可以从釜内放出。如停止搅拌（没有剪切）则物料粘度可达20000cP以上，很难从釜内放出。常见流体：大多数高分子熔体，聚合物溶液。现象：流速越大（速度梯度越大），粘度越小，流动越快。1-2-2胀（涨）塑性流体（Dilatant）∞∞∞特点如下：胀塑性:剪切变稠，流速越大（速度梯度越大），粘度越大，流动越慢例：和芝麻酱，用勺搅拌，是快搅好搅，还是慢搅好搅？常见流体：淀粉液，芝麻酱。固体体积分率40～47%的固—液悬浮液等。1-2-3宾汉（Bingham）流体—塑性流体p∞广义宾汉流体∞特点如下：ττ0不流动，像固体ττ0流动如：牙膏、泥浆1-2-4依时性流体除外，μa还与剪切时间t有关与固体类似，当外力撤除后，流体的部分变形会恢复，像弹簧一样。而部分变形不恢复，同时具有粘性变形。如聚丙烯酰胺水溶液从管中流出时，如果关闭阀门流出的部分流体会从管口收缩回管内。（1）粘弹性流体(visco-elasticFluid)（2）触变流体（Thixot-ropicFluid）τ恒定剪切速率，外力作用时间t越长，粘度变小。停止作用，粘度又变大。τμatt0=0如：涂料、番茄酱等。用涂料刷墙，要慢刷（?）。1（3）反触变流体－震凝流体如：饱和树脂，比较少见。μat0=01-3非牛顿流体的某些流动现象1-3-1管内剪切变稀现象牛顿流体CMC水溶液从注射器流出（假塑性流体）判断哪个是牛顿?提示：出口Re？1-3-2爬杆现象（韦森堡效应）WeissenbergEffect1944年发现牛顿流体PAM水溶液（粘弹性流体）搅拌实验(传热面变?)1-3-3挤出胀大和弹性回复牛顿流体PAM水溶液1-3-4无管虹吸PAM水溶液牛顿流体无管虹吸演示1-3-5尤伯拉效应牛顿流体气泡PAM水溶液1-3-6减阻效应（TomsEffect）1948年发现例如：在消防车中加入少量PAM(几十个ppm)可使水龙头喷射高度增加1/3以上。1-3-7搅拌槽中的反向次流牛顿流体PAM水溶液1-3-8电流变现象在强电场下，液体内形成链状结构,粘度增高，变为粘塑性固体，不流动。去电场后，极短时间内恢复为原状，又可活动。演示1,2,3,4（视频文件）其它现象对上述现象的解释剪切变稀：静止流动静止流动静止流动静止流动高分子溶液的分子缠结理论：牛顿流体粘弹性流体由高分子的弹性产生的法向应力所致。像橡皮圈，受力后拉伸，撤离后分子形态要恢复，具有“记忆”能力。如图静止时大分子互相缠结，流动时大分子的缠结点减少，分子变直，流动阻力减少，μ↙。爬杆现象：法向应力可以说明3，4，7等现象。对非牛顿流体流动现象的解释并不是非常令人信服的。需进一步研究。例如：胀塑性流体“吸干”效应－高固含流体低剪切下，填充固体粒子之间充满液体(少量)，润滑好，易流动μ↙高剪切下，变疏松，液体被吸进大空隙中了,干固体粒子之间由于摩擦阻力增大，难流动μ↗。静止流动例如：触变性流体－高固含微粒。由于微粒带有静电，形成特定的结构静止时流动时重新静止静止时低剪切力μ大，流动时有剪切力结构破坏易变形，重新静止（低剪切）结构恢复μ↗不能解释，时间长短的影响。作业第二章描述非牛顿流体的基本方程—本构方程本构方程---描述剪切力与切剪速率(速度梯度)的关系式§2、1基本名称2、1．1速度梯度/剪切速率/剪切变形速率/切变率切变率：单位时间微元相邻两边之间的夹角变化(形变快慢）。流体微元在流动中的变形如下（受剪切力）:切变率与速度梯度相同?]/1[][]/[smsmdydu速度梯度:流动快慢切变率：)0(limttdtdtttΔYyxtyxt+tt时刻t+t时刻e2ttytUUarctgytUUyetgyyyyyy,ytUUarctgyyytt2ytUUarctgytUUyetgyyyyyy,0,,limtyx切变率与速度梯度相同.单位：s-1“-”号，随t↗,δ↙dydudtdtdydutyUtyUarctgxxdyduttdydudtd222.1．2剪切应力/切应力AF剪切—正、反方向的力不在同一平面（轴线）。与流体受拉、压不同（同一轴线）][][][作用面积剪切2PamN力切应力—方向与受力面平行2、1．3粘度/表观粘度表观粘度：a1[Pa·s](帕斯卡·秒)(帕·秒)1[P](泊)=dyn·s/cm1[cP](厘泊)=0.01[P]=0.001[Pa·s]=1[mPa·s]][][][1sPasPa、切变率等速度梯度剪切速率切应力consta牛顿流体：粘度，动力粘度如下图：2111221201011221,aa牛顿：非牛顿：“真实”粘度：tdd