啥是非牛顿流体?

啥是非牛顿流体?

非牛顿流体,是指不满足牛顿黏性实验定律的流体,即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于所定义的非牛顿流体。人身上淋巴液、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。

一切真实流体中,由于分子的扩散或分子间相互吸引的影响,使不同流速的流体之间有动量交换发生,因此,在流体内部两流层的接触面上产生内摩擦力。这种力与作用面平行,故又称流动切应力,或粘性力。粘性力的方向,对流速大的流体层而言,它与流速方向相反,是阻碍流动的力;相应地,对流速小的流体层而言则是促使其加速的力。粘性力的大小可由牛顿内摩擦定律确定。

考虑一种流体,它介于面积相等的两块大的平板之间,如《平行平板实验示意图》所示,这两块平板处处以一很小的距离分隔开,该系统原先处于静止状态。假设让上面一块平板以恒定速度v在x方向上运动。

紧贴于运动平板下方的一薄层流体也以同一速度运动。当v不太大时,板间流体将形成稳定层流。靠近运动平板的液体比远离平板的液体具有较大的速度,且离平板越远的薄层,速度越小,至固定平板处,速度降为零。

速度按某种曲线规律连续变化。这种速度沿距离y的变化称为速度分布。

设某一流层速度为u,与其相邻流层速度为u+du,du为其流速变化值,设流层间沿y轴距离差为dy

,若两板间的距离很小,则两板间的流速变化无限接近线性,即可化为流速梯度du/dy。

设F为流体各层间的内摩擦力,流体间接触面积为A。

大量实验证明,流体的内摩擦力大小与流体性质有关,与流体速度变化梯度du/dy和接触面积A成正比。

若将比例系数设为μ。

则各物理量关系满足:

此理论为牛顿内摩擦定律。

上式说明流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比,与压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。

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