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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现在所定义的非牛顿流体。人身上血液、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。

非牛顿流体实例

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现在所定义的非牛顿流体。人身上血液、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。
高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。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。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。
食品工业中的番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、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也都是非牛顿流体。

非牛顿流体的特性

射流胀大(也称Barus效应,或Merrington效应)(图1)

图1 奶酪射流出口的胀大现象 图1 奶酪射流出口的胀大现象
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。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。

爬杆效应(也称为Weissenberg效应)(图2)

图2 非牛顿流体的爬杆效应(右) 图2 非牛顿流体的爬杆效应(右)
1944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。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。

无管缸吸或开口虹吸(图3)

图3 开口虹吸 图3 开口虹吸
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。

湍流减阻(也称Toms效应)(图4)

图4 湍流减阻:同样动力下消防水龙头喷水图 图4 湍流减阻:同样动力下消防水龙头喷水图
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。虽然湍流减阻效应的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。

其他性质

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,可见“春蚕到死丝方尽”一文),剪切变稀(可见“腱鞘囊肿治愈记”一文),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。