非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。

非牛頓流體實例

非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。

絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。

高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。

食品工業(yè)中的番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體。

非牛頓流體的特性

射流脹大（也稱Barus效應(yīng)，或Merrington效應(yīng)）(圖1)

圖1 奶酪射流出口的脹大現(xiàn)象

如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發(fā)現(xiàn)射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴于雷諾數(shù)，其值約在0.88～1.12之間。而對于高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來說，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函數(shù)。模片脹大現(xiàn)象，在口模設(shè)計中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產(chǎn)出的產(chǎn)品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。

爬桿效應(yīng)（也稱為Weissenberg效應(yīng)）(圖2)

圖2 非牛頓流體的爬桿效應(yīng)（右）

1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院，公開表演了一個有趣的實驗：在一只有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實驗桿。對于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對于黏彈性流體，卻向杯中心流動，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實驗桿旋轉(zhuǎn)速度很低時，也可以觀察到這一現(xiàn)象。在設(shè)計混合器時，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。同樣，在設(shè)計非牛頓流體的輸運泵時，也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng)。

無管缸吸或開口虹吸(圖3)

圖3 開口虹吸

對于牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ)。

湍流減阻（也稱Toms效應(yīng)）(圖4)

圖4 湍流減阻：同樣動力下消防水龍頭噴水圖

非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質(zhì)，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應(yīng)。有人報告：在加入高聚物添加劑后，測得猝發(fā)周期加大了，認為是高分子鏈的作用。雖然湍流減阻效應(yīng)的道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的應(yīng)用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。應(yīng)用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發(fā)生過程及其破壞作用。

其他性質(zhì)

非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質(zhì)外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細的細絲，可見“春蠶到死絲方盡”一文），剪切變?。梢姟半烨誓夷[治愈記”一文），連滴效應(yīng)（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。

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標簽：原理、流體、牛頓

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文章名稱：《什么是非牛頓流體 非牛頓流體的原理》

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