第9章流變學(xué)基礎(chǔ)

1、第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)1 流變性質(zhì)的基本概念與規(guī)律流變性質(zhì)的基本概念與規(guī)律n剪切應(yīng)力、切應(yīng)變與切變速率剪切應(yīng)力、切應(yīng)變與切變速率n 物體的形狀變化可用其相對(duì)變形描述。如圖物體的形狀變化可用其相對(duì)變形描述。如圖9-1表示在切力表示在切力Fn作用于平行六面體上界面作用于平行六面體上界面S時(shí)物體的剪切變形。單位界面受到的時(shí)物體的剪切變形。單位界面受到的n切力稱(chēng)為切應(yīng)力，通常以切力稱(chēng)為切應(yīng)力，通常以f或或表示。表示。f=FS，f的單位為的單位為Pa在切在切應(yīng)力作用下物體內(nèi)部任一體積單元產(chǎn)生的形變應(yīng)力作用下物體內(nèi)部任一體積單元產(chǎn)生的形變dx/dz和整個(gè)物體和整個(gè)物體n的形變的形變lL相同，這種

2、形變稱(chēng)為切應(yīng)變，若切應(yīng)變以相同，這種形變稱(chēng)為切應(yīng)變，若切應(yīng)變以表示，則有表示，則有ndx/dzlL。 圖圖9-1第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)圖圖9-1 切應(yīng)力與切應(yīng)變切應(yīng)力與切應(yīng)變 對(duì)于液體，在切應(yīng)力作用下，切應(yīng)變對(duì)于液體，在切應(yīng)力作用下，切應(yīng)變隨時(shí)間的變化速率稱(chēng)為切變速率。切變速隨時(shí)間的變化速率稱(chēng)為切變速率。切變速率等于液體流動(dòng)方向上的速度梯度。率等于液體流動(dòng)方向上的速度梯度。第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)2 牛頓定律牛頓定律 若由外力若由外力F所形成的切應(yīng)力所形成的切應(yīng)力f完全用于完全用于克服液體的內(nèi)摩擦克服液體的內(nèi)摩擦,則切應(yīng)力則切應(yīng)力f正比于切變正比于切變速度速度D： f=D 此

3、式即為牛頓定律。比例常數(shù)此式即為牛頓定律。比例常數(shù)稱(chēng)為稱(chēng)為液體的粘度，它是液體流變性質(zhì)的最重要液體的粘度，它是液體流變性質(zhì)的最重要參數(shù)，單位是參數(shù)，單位是Pas。第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)3 流體流動(dòng)的類(lèi)型流體流動(dòng)的類(lèi)型-層流與湍流（層流與湍流（雷諾實(shí)驗(yàn)）雷諾實(shí)驗(yàn)） 1883年年, , 英國(guó)物理學(xué)家英國(guó)物理學(xué)家Osbone Reynolds作了作了如下實(shí)驗(yàn)。如下實(shí)驗(yàn)。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流層流、湍流湍流用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流層流(b)過(guò)渡流過(guò)渡流(c)湍流湍流

4、流動(dòng)狀況可用流動(dòng)狀況可用雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re表示。表示。vdRev：流速：流速d：管直徑：管直徑：流體密度：流體密度：流體粘度：流體粘度Re2000層流層流Re4000湍流湍流Re無(wú)量綱無(wú)量綱只有在層流條件下，牛頓公式才成立只有在層流條件下，牛頓公式才成立4 稀分散體系的粘度稀分散體系的粘度n分散體系的結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)主要由質(zhì)點(diǎn)間的作用能和體分散體系的結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)主要由質(zhì)點(diǎn)間的作用能和體系中質(zhì)點(diǎn)的濃度決定。在稀分散體系（如膠體和懸浮液）系中質(zhì)點(diǎn)的濃度決定。在稀分散體系（如膠體和懸浮液）中質(zhì)點(diǎn)間彼此獨(dú)立，互不影響，這種分散體系沒(méi)有固定中質(zhì)點(diǎn)間彼此獨(dú)立，互不影響，這種分散體系沒(méi)有固定的結(jié)構(gòu)。其濃度服從

5、的結(jié)構(gòu)。其濃度服從Einstein粘度公式粘度公式n =0(1+K)n式中，式中， 為懸浮液的粘度；為懸浮液的粘度； 0為分散介質(zhì)的粘度；為分散介質(zhì)的粘度；K 為形狀系數(shù)；為形狀系數(shù)； 為分散相在分散體系中的體積分?jǐn)?shù)。為分散相在分散體系中的體積分?jǐn)?shù)。第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)n形狀系數(shù)：球形：形狀系數(shù)：球形：K=2.5 橢球形（長(zhǎng)短軸比橢球形（長(zhǎng)短軸比=4）：）： K=4.8 層片狀層片狀(寬厚比寬厚比=12.5): K=53第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)n粘度的影響因素粘度的影響因素1 粒子形狀粒子形狀 粒子越不對(duì)稱(chēng)，其形狀系數(shù)越大。（原粒子越不對(duì)稱(chēng)，其形狀系數(shù)越大。（原因：因：32

6、0頁(yè)）頁(yè)）2 粒子大小粒子大小 同一體積濃度，粒子平均直徑越小，粘同一體積濃度，粒子平均直徑越小，粘度越大。（原因：度越大。（原因：322頁(yè)）頁(yè)）第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)3 粒子溶劑化粒子溶劑化 粒子溶劑化使粘度增加粒子溶劑化使粘度增加4 粒子所帶電荷粒子所帶電荷 粒子帶電，粘度增加。（原因：粒子帶電，粘度增加。（原因：326頁(yè)）頁(yè)）5 溶劑和溫度效應(yīng)溶劑和溫度效應(yīng) 良好溶劑：粘度增大；溫度升高，粘度下降。良好溶劑：粘度增大；溫度升高，粘度下降。 不良溶劑：粘度降低；溫度升高，粘度增大。不良溶劑：粘度降低；溫度升高，粘度增大。第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ)5 濃分散體系的流型濃分散體

7、系的流型n 濃分散體系的應(yīng)用十分廣泛。其流變性質(zhì)非濃分散體系的應(yīng)用十分廣泛。其流變性質(zhì)非常復(fù)雜。這是因?yàn)樵谶@種體系中分散相粒子濃度常復(fù)雜。這是因?yàn)樵谶@種體系中分散相粒子濃度大，粒子間、粒子與介質(zhì)間的相互作用強(qiáng)烈，而大，粒子間、粒子與介質(zhì)間的相互作用強(qiáng)烈，而且多樣化。且多樣化。n 以切變速度以切變速度D與切應(yīng)力與切應(yīng)力f作圖得到的曲線稱(chēng)為作圖得到的曲線稱(chēng)為流變曲線。流變曲線的不同形式稱(chēng)為流型。流變曲線。流變曲線的不同形式稱(chēng)為流型。 第第9章章 流變學(xué)基礎(chǔ)流變學(xué)基礎(chǔ) t t 塑性體塑性體 牛頓體牛頓體 漲流體漲流體 假塑體假塑體 D濃分散體系的流變性質(zhì)濃分散體系的流變性質(zhì)牛頓體牛頓體塑性體塑性體假

8、塑體假塑體漲流體漲流體牛頓體牛頓體D關(guān)系為直線，且關(guān)系為直線，且過(guò)原點(diǎn)。過(guò)原點(diǎn)。單用粘度就足以表示其單用粘度就足以表示其流變特性。流變特性。水、甘油、低粘度油以及低分子化化合物溶液和稀的溶膠。水、甘油、低粘度油以及低分子化化合物溶液和稀的溶膠。塑性體塑性體流變曲線也是直線，但不流變曲線也是直線，但不過(guò)原點(diǎn)，而是與切力軸交過(guò)原點(diǎn)，而是與切力軸交于于y y處。處。 y稱(chēng)為稱(chēng)為屈服值屈服值。yDtt塑塑塑稱(chēng)為稱(chēng)為塑性粘度塑性粘度，與，與屈服值是塑性體兩個(gè)重屈服值是塑性體兩個(gè)重要的流變參數(shù)。要的流變參數(shù)。屈服值的塑性體內(nèi)部結(jié)屈服值的塑性體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。構(gòu)的反應(yīng)。靜止靜止流動(dòng)流動(dòng)鉆井用泥漿、油漆、牙膏

9、鉆井用泥漿、油漆、牙膏t t塑性體塑性體Dy y觸變流體觸變流體搖動(dòng)變?yōu)榱黧w，靜置后變?yōu)榘牍腆w搖動(dòng)變?yōu)榱黧w，靜置后變?yōu)榘牍腆w屬于塑性體屬于塑性體流變曲線有滯后圈流變曲線有滯后圈t tD針狀和片狀膠粒較球形膠粒更容易有觸變性，這是針狀和片狀膠粒較球形膠粒更容易有觸變性，這是由于它們的邊角和末端間的相互吸引易于搭成架子。由于它們的邊角和末端間的相互吸引易于搭成架子。流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)被拆散，但被拆散質(zhì)點(diǎn)要靠布朗運(yùn)動(dòng)使流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)被拆散，但被拆散質(zhì)點(diǎn)要靠布朗運(yùn)動(dòng)使邊角相碰才能重建結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程需要時(shí)間，因此邊角相碰才能重建結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程需要時(shí)間，因此表現(xiàn)出滯后圈。表現(xiàn)出滯后圈。假塑體假塑體t tDy y流變曲

10、線通過(guò)原點(diǎn)，無(wú)屈服值流變曲線通過(guò)原點(diǎn)，無(wú)屈服值表觀粘度隨切力增加而下降表觀粘度隨切力增加而下降(01)nKDntK、n為與液體性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)為與液體性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)假塑體形成的原因有二：假塑體形成的原因有二：1、這類(lèi)體系倘若有結(jié)構(gòu)也必然很弱，故、這類(lèi)體系倘若有結(jié)構(gòu)也必然很弱，故y y幾乎為零，幾乎為零，在流動(dòng)中結(jié)構(gòu)不易恢復(fù)，故表觀粘度隨切力增加而在流動(dòng)中結(jié)構(gòu)不易恢復(fù)，故表觀粘度隨切力增加而減小。減小。2 2、這類(lèi)體系也可能無(wú)結(jié)構(gòu)，、這類(lèi)體系也可能無(wú)結(jié)構(gòu)，a a的減小是不對(duì)稱(chēng)質(zhì)點(diǎn)的減小是不對(duì)稱(chēng)質(zhì)點(diǎn)在速度梯度場(chǎng)中定向的結(jié)果。在速度梯度場(chǎng)中定向的結(jié)果。大多數(shù)高分子溶液和乳狀液，低切速下的血液大

11、多數(shù)高分子溶液和乳狀液，低切速下的血液假塑體假塑體脹流體脹流體t tDy y漲流體漲流體流變曲線通過(guò)原點(diǎn)，無(wú)屈服值流變曲線通過(guò)原點(diǎn)，無(wú)屈服值表觀粘度隨切力增加而上升表觀粘度隨切力增加而上升(1)nKDntK、n為與液體性質(zhì)有關(guān)為與液體性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)脹流體通常需要滿(mǎn)足兩個(gè)條脹流體通常需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：件：1、分散相濃度需相當(dāng)大，、分散相濃度需相當(dāng)大，且應(yīng)在一窄小的范圍內(nèi)且應(yīng)在一窄小的范圍內(nèi)2、顆粒必須分散而不聚集、顆粒必須分散而不聚集靜止靜止攪動(dòng)攪動(dòng)面團(tuán)面團(tuán)6 重要流型簡(jiǎn)介重要流型簡(jiǎn)介1 三種基本流型三種基本流型（1）牛頓型及其特點(diǎn)（）牛頓型及其特點(diǎn)（301頁(yè)）頁(yè)）（2）胡克型及其特點(diǎn)（）胡克型及其特點(diǎn)（302頁(yè)）頁(yè)）（3）圣維南型極其特點(diǎn)（）圣維南型極其特點(diǎn)（3