非牛顿流体的性能性能具体有哪些?

非牛顿流体及其奇妙特性\x0d现在去医院作血液测试的项目之一,己不再是“血黏度检查”,而是“血液流变学捡查”（简称血流变）,为什么会有这样的变化呢?这就要从非牛顿流体谈起.\x0d\x0d英国科学家牛顿于1687年,发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果.实验是在两平行平板间充满水时进行的,下平板固定不动,上平板在其自身平面内以等速U向右运动.此时,附着于上、下平板的流体质点的速度,分别是U和0,两平板间的速度呈线性分布,斜率是黏度系数.由此得到了著名的牛顿黏性定律.\x0d\x0d斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上,作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性及流体静止时应变率为零的三项假设,从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程,以及被广泛应用的纳维-斯托克斯方程（简称：纳斯方程）.\x0d\x0d后来人们在进一步的研究中知道,牛顿黏性实验定律（以及在此基础上建立的纳斯方程）,对于描述像水和空气这样低分子量的简单流体是适合的,而对描述具有高分子量的流体就不合适了,那时剪应力与剪切应变率之间己不再满足线性关系.为区别起见,人们将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体,而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体.因为对血液而言,剪应力与剪切应变率之间己不再是线性关系,己无法只给出一个斜率（即黏度）来说明血液的力学特性,只好作血流变学测试,给出二者间的非线性关系.\x0d\x0d形形色色的非牛顿流体\x0d早在人类出现之前,非牛顿流体就己存在,因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体.人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液,以及像细胞质那样的“半流体”,都属于非牛顿流体.\x0d\x0d近几十年来,促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一,是聚合物工业的发展.聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各种工程塑料、化纤的熔体、溶液等,都是非牛顿流体.\x0d\x0d石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再生溶液、钻井用的洗井液和完井液、磁浆、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛顿流体.\x0d\x0d非牛顿流体在食品工业中也很普遍,如番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、菜汤、浓糖水、酱油、果酱、炼乳、琼脂、土豆浆、熔化巧克力、面团、米粉团、以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料.\x0d\x0d综上所述,在日常生活和工业生产中,常遇到的各种高分子溶液、熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等复杂性质的流体,差不多都是非牛顿流体.有时为了工业生产的目的,在某种牛顿流体中,加入一些聚合物,在改进其性能的同时,也将其变成为非牛顿流体,如为提高石油产量使用的压裂液、新型润滑剂等.\x0d\x0d现在也有人将血液、果浆、蛋清、奶油等这些非常黏稠的液体,牙膏、石油、泥浆、油漆、各种聚合物（聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等）溶液等非牛顿流体,称为软物质.\x0d\x0d非牛顿流体的奇妙特性及应用\x0d射流胀大\x0d如果非牛顿流体被迫从一个大容器,流进一根毛细管,再从毛细管流出时,可发现射流的直径比毛细管的直径大.射流的直径与毛细管直径之比,称为模片胀大率（或称为挤出物胀大比）.对牛顿流体,它依赖于雷诺数,其值约在0.88～1.12之间.而对于高分子熔体或浓溶液,其值大得多,甚至可超过10.一般来说,模片胀大率是流动速率与毛细管长度的函数.\x0d\x0d模片胀大现象,在口模设计中十分重要.聚合物熔体从一根矩形截面的管口流出时,管截面长边处的胀大,比短边处的胀大更加显著.尤其在管截面的长边中央胀得最大.因此,如果要求生产出的产品的截面是矩形的,口模的形状就不能是矩形,而必须是四边中间都凹进去的形状.\x0d\x0d这种射流胀大现象,也叫Barus效应,或Merrington效应.\x0d

\x0d图 1 奶酪生产情景：奶酪从管中流出后马上胀大\x0d\x0d爬杆效应\x0d1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院,公开表演了一个有趣的实验：在一只有黏弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里,旋转实验杆.对于牛顿流体,由于离心力的作用,液面将呈凹形；而对于黏弹性流体,却向杯中心流动,并沿杆向上爬,液面变成凸形,甚至在实验杆旋转速度很低时,也可以观察到这一现象.\x0d\x0d爬杆效应也称为Weissenberg效应.在设计混合器时,必须考虑爬杆效应的影响.同样,在设计非牛顿流体的输运泵时,也应考虑和利用这一效应.\x0d

\x0d图 2 爬杆效应实验：左为牛顿流体,右为黏弹性流体\x0d\x0d无管虹吸\x0d对于牛顿流体来说,在虹吸实验时,如果将虹吸管提离液面,虹吸马上就会停止.但对高分子液体,如聚异丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液,或聚醣在水中的轻微凝肢体系等,都很容易表演无管虹吸实验.将管子慢慢地从容器拨起时,可以看到虽然管子己不再插在液体里,液体仍源源不断地从杯中抽出,继续流进管里.甚至更简单些,连虹吸管都不要,将装满该液体的烧杯微倾,使液体流下,该过程一旦开始,就不会中止,直到杯中液体都流光.这种无管虹吸的特性,是合成纤维具备可纺性的基础.\x0d

\x0d图 3 无管缸吸：对于化纤生产有重要意义\x0d\x0d湍流减阻\x0d非牛顿流体显示出的另一奇妙性质,是湍流减阻.人们观察到,如果在牛顿流体中加入少量聚合物,则在给定的速率下,可以看到显著的压差降.湍流一直是困扰理论物理和流体力学界未解决的难题.然而在牛顿流体中加入少量高聚物添加剂,却出现了减阻效应.有人报告：在加入高聚物添加剂后,测得猝发周期加大了,认为是高分子链的作用.\x0d\x0d减阻效应也称为Toms效应,虽然其道理尚未弄得很清楚,却己有不错的应用.在消防水中添加少量聚乙烯氧化物,可使消防车龙头喷出的水的扬程提高一倍以上.应用高聚物添加剂,还能改善气蚀发生过程及其破坏作用.\x0d\x0d

\x0d图 4 湍流减阻：在同样动力下两幅消防水龙头喷水.上图为未添加聚乙烯氧化物的情形,下图为添加聚乙烯氧化物后的情形\x0d\x0d非牛顿流体除具有以上几种有趣的性质外,还有其他一些受到人们重视的奇妙特性,如拔丝性（能拉伸成极细的细丝）,剪切变稀,连滴效应（其自由射流形成的小滴之间有液流小杆相连）,液流反弹等.\x0d\x0d由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、效率和产品质量,也涉及人本身的生活和健康,所以越来越受到科学工作者的重视.1996年8月在日本京都国际会议中心,召开的第19届国际理论与应用力学大会（IUTAM）上,非牛顿流体流动是大会的6个重点主题之一,也是流体力学方面参与最踊跃的主题.Grochet邀请报告的观点是,高分子溶液和熔体的特性远异于牛顿流体,并认为对这些异常特性的研究,都是带有挑战性的课题.\x0d\x0d（原刊登于《物理教学》2002年24卷3期）