非牛顿流体及其奇妙特性

Wang Zhendong

现在，去医院进行血液检查的项目之一不再是“血液粘度测试”，而是“血液流变学检查”（称为血液流变学）。为什么会有这样的变化？这始于非牛顿液。

根据牛顿在1845年的实验定律，Stokes做出了三个假设，即应力张量是应变率张量的线性函数，当流体是固定的，因此得出线性本组成方程时，流体的各向同性和应变速率为零，因此在流体机械方程中广泛使用了wide navi-stokes Storecrient（wide navi-stokes Storecrient）（均可参考）。

后来，人们在进一步的研究中得知牛顿的粘度实验定律（以及基于此基础建立的NASS方程）适合描述具有低分子量（如水和空气）的简单流体，但不适合描述具有高分子量的流体。当时，不再满足剪切应力与剪切应变速率之间的线性关系。

为了区分，人们称之为满足剪切应力与剪切应变速率之间线性关系的流体，而不满足线性关系的流体则称为非牛顿流体。因为对于血液，剪切应力和剪切应变速率不再是线性关系，并且不能仅测量一个点并给出斜率（即粘度）来解释血液的机械性能，因此必须进行过滤测试以测量三个点并给出剪切应力与剪切应力之间的非线性曲线关系。

各种非牛顿液

在人类出现之前，非牛顿液就存在了，因为大多数生物液属于现在所定义的非牛顿液。各种体液，例如血液，淋巴液，囊肿液和诸如细胞质的“半氟化物”是非牛顿液。

近几十年来开元棋官方正版下载，促使非牛顿流体研究快速发展的主要驱动力之一是聚合物行业的发展。聚乙烯，聚丙烯酰胺kaiyun全站登录网页入口，聚氯乙烯，尼龙6，PVS，赛luloid，聚酯纤维，橡胶溶液，各种工程塑料，化学纤维的熔体和溶液等都是非牛顿液的。

石油，泥浆，水和煤浆，陶瓷浆，纸浆，油漆，墨水，牙膏，家用丝绸再生溶液，用于钻孔的液体和完整的液体，用于钻孔，磁性浆料，用于某些光敏材料，泡沫材料，泡沫，液体晶体，液晶，高高的水流，泥浆，泥浆等的涂料。

非牛顿液在食品行业中也很常见，例如番茄汁，淀粉液体，蛋清，苹果果肉，蔬菜汤，浓糖水，酱油，酱油，果酱，冷凝牛奶，琼脂，琼脂，琼脂，融化的巧克力，巧克力巧克力，面团，米粉，以及各种切碎的食物材料，例如鱼糊和肉。

总而言之，在日常生活和工业生产中，各种具有复杂特性的流体，例如聚合物溶液，融化，糊状，凝胶，交联系统和经常遇到的悬架系统几乎是非牛顿液体。有时，出于工业生产目的，一些聚合物会添加到某种牛顿液中，在提高其性能的同时，它也将其变成非牛顿液，例如压裂液，新的润滑剂等用于增加石油生产的液体。

如今，有些人称其为非牛顿液，例如血液，果实果肉，蛋清，奶油等，例如牙膏，油，泥，油漆，各种聚合物（聚乙烯，尼龙，聚酯，聚酯，橡胶等），溶液，软性物质。

非牛顿液的精美特性和应用

喷气机膨胀

如果非牛顿流体被迫从大容器流入毛细管，然后从毛细管中流出，则可以发现射流的直径大于毛细管直径。射流直径与毛细管直径的比率称为模具膨胀比（或挤出膨胀比）。对于牛顿流体，它取决于雷诺数，其值约为0.88至1.12。对于聚合物熔体或浓缩溶液，该值更大，甚至可能超过10。总体而言，模具放大倍数是流速和毛细管长度的函数。

霉菌肿胀的现象在霉菌设计中非常重要。当聚合物从矩形横截面的管道口融化时，管道截面的长侧的膨胀比短侧的膨胀更为重要。特别是在管道部分长侧的中心，它扩展到最大值。因此kaiyun全站app登录入口，如果所产生的产物的横截面必须是矩形，则模具的形状不能是矩形，但必须是四个侧中间凹的形状。

这种喷气肿胀现象也称为Barus效应或Merrington效应。

杆攀爬效果

1944年，魏森伯格在英国伦敦帝国学院的公共学院进行了一项有趣的实验：在装有粘弹性液体的烧杯中旋转实验杆（一种非牛顿液体）。对于牛顿液，由于离心力，液位将凹入；对于粘弹性流体，它流到杯子的中心并沿着杆爬上，液位变为凸。即使实验杆的旋转速度非常低，也可以观察到这种现象。

杆攀爬效果也称为魏森贝格效应。设计搅拌机时，必须考虑杆攀爬效果的效果。同样，在设计非牛顿流体的运输泵时，应考虑和利用这种效果。

杆攀爬效果实验：左侧的牛顿液和右侧的粘弹性流体

无管虹吸管

对于牛顿液，在虹吸实验期间，如果将虹吸管从液位上抬起，则虹吸会立即停止。然而，无内管虹吸实验易于执行聚合物液体，例如聚异生的汽油溶液和1％的痘水溶液，或在水中糖苷的轻微肢体凝结系统。当慢慢将管子从容器中抬起时，您会看到，尽管管道不再插入液体中，但仍将液体连续从杯子中拉出并继续流入管子中。甚至更简单，甚至没有虹吸管，然后将烧杯稍微倾斜，里面充满了液体，以使液体流下来。一旦过程开始，直到杯中的液体流动之前，它将不会停止。该无内胎虹吸特性是合成纤维可易旋性的基础。

无管缸吸力：这对于化学纤维生产具有重要意义

抗湍流的降低

非牛顿液显示的另一个奇妙属性是减少动荡的阻力。据观察，如果将少量聚合物添加到牛顿液中，则可以以给定的速率看到显着的压差下降。湍流一直是困扰理论物理和流体力学界的一个未解决的问题。但是，在牛顿液中添加少量聚合物添加剂具有减少效果。有人报告说，在添加聚合物添加剂后，爆发周期的增加是增加的，据信这是聚合物链的作用。

抗湍流的降低

降低效果也称为TOMS效应。尽管其原因尚未清楚地理解，但它具有良好的应用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物可以使消防车水龙头喷洒的水头两倍多。聚合物添加剂的使用还可以改善空化过程及其破坏性作用。

湍流拖动减少：在相同功率下的两个火龙头水喷雾图

上图显示了未添加聚乙烯的情况

下图显示了添加聚乙烯后的情况

In addition to the above interesting properties, non-Newtonian fluids also have some other wonderful characteristics that are valued by people, such as silk drawing properties (can be stretched into extremely thin filaments, which can be seen in the article "The silkworm will not be exhausted until the silk is dead"), shear thinning (see in the article "The cure of tendon sheath cysts", drip effect (the small droplets formed by the free jet are connected to small杆），液体流动反弹等。

由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的流程，设备，效率和产品质量，并且还涉及人们自己的生活和健康，因此科学工人越来越重视它们。在1996年8月在日本京都国际会议中心举行的第19届国际理论与应用机械师会议（IUTAM）上，非牛顿流体流程是会议的六个关键主题之一，也是流体机械师中最热情的话题。 Grochet的邀请报告的观点是，聚合物溶液和融化的特性与牛顿液的特性大不相同，并认为对这些异常性质的研究是一个具有挑战性的话题。

（最初发表于第20卷，第1期，1998年）