原油流變學(xué)

1、原油流變學(xué),授課教師：魏愛(ài)軍授課班級(jí)：儲(chǔ)運(yùn)1001～081201,參考書(shū)：,1.李傳憲、羅哲鳴編著.原油流變性及測(cè)量.山東東營(yíng)：石油大學(xué)出版社.1994.82.沈崇棠、劉鶴年合編.非牛頓流體力學(xué)及其應(yīng)用.北京：高等教育出版社.1989.33.黃逸仁編.非牛頓流體流動(dòng)及流變性測(cè)量.四川成都：成都科技大學(xué)出版社.1993.94.羅塘湖編著.含蠟原油流變特性及其管道輸送.北京：石油工業(yè)出版社.19905.其它一些參考書(shū)。,,課程簡(jiǎn)

2、單介紹及一些具體要求：,1.考試課，統(tǒng)一考試。2.總學(xué)時(shí)36，理論講授33學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)3學(xué)時(shí)。3.考試成績(jī)70％，平時(shí)成績(jī)(出勤、作業(yè)、課堂表現(xiàn))20％，實(shí)驗(yàn)成績(jī)10％4.課程名稱(chēng)為“流變學(xué)”，實(shí)際為“非牛頓流體力學(xué)”，更具體應(yīng)為“原油流變性及其測(cè)量”5.主要講授的內(nèi)容：流變學(xué)基礎(chǔ)、流變性測(cè)量、結(jié)合專(zhuān)業(yè)實(shí)際講原油的流變性、原油流變性的評(píng)價(jià)與測(cè)量。,,第一章 緒論,流變學(xué)(Rheology)是研究物質(zhì)變形與流動(dòng)的科學(xué)(the sc

3、ience of deformation and flow of material)。實(shí)際物質(zhì)在外力作用下怎樣變形與流動(dòng)，這是物質(zhì)本身固有的性質(zhì)，可以稱(chēng)其為物質(zhì)的流變性(即物質(zhì)在外力作用下變形與流動(dòng)的性質(zhì))。流變學(xué)就是研究物質(zhì)流變性的科學(xué)。,,§1.1 流變學(xué)概念,流變學(xué)是一門(mén)既古老又年青的科學(xué)。早在公元前1500年，人們對(duì)流變學(xué)就有了膚淺的認(rèn)識(shí)，例如，埃及人發(fā)明了一種稱(chēng)為水鐘的陶瓷制品，其形狀是一個(gè)圓錐形容器，底部開(kāi)有一小

4、孔，用以測(cè)定容器內(nèi)水層高度與時(shí)間的關(guān)系以及溫度對(duì)流體粘度的影響。但總的來(lái)說(shuō)，流變學(xué)在16世紀(jì)以前發(fā)展比較緩慢。16世紀(jì)以后，流變學(xué)獲得了比較迅速的發(fā)展： Boyle提出理想氣體的定律(PV=C，1662年)；Calileo提出液體具有內(nèi)聚粘性概念；Hooke建立了彈性固體的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系(σ=Eε，1678年)；,Newton闡明了牛頓流體流動(dòng)阻力與剪切速率之間有正比關(guān)系(1687年)，（實(shí)際上，當(dāng)時(shí)Newton是以假說(shuō)形式提出的

5、這一定律 ，19世紀(jì)末葉，德國(guó)的Ostwald在Poisuille定律公式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出具體的牛頓流體定律公式） 這些發(fā)現(xiàn)尤其是牛頓流動(dòng)定律，對(duì)流變學(xué)的發(fā)展起著十分重要的作用；19世紀(jì)由德國(guó)土木學(xué)家Hagen和法國(guó)血液醫(yī)學(xué)科學(xué)家Poiseuille建立的Hagen & Poiseuille方程(Q=πD4ΔP/128μL)，標(biāo)志了流變學(xué)的重大發(fā)展。,在流變學(xué)發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)物理化學(xué)家E.C.Bingham教授作出了

6、劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。他不僅發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)所謂Bingham流體(如潤(rùn)滑油、油漆、泥漿等)的流動(dòng)規(guī)律，而且把20世紀(jì)以前積累下來(lái)的有關(guān)流變學(xué)的零碎知識(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納，并正式命名為流變學(xué)(Rheology)。1929年Bingham等倡議成立了美國(guó)流變學(xué)會(huì)(society of rheology of USA)，且同年創(chuàng)刊流變學(xué)雜志(Journal of Rheology)。人們一般以此作為流變學(xué)(作為學(xué)科)創(chuàng)立的標(biāo)志。,,以后流變學(xué)逐步被歐、美、

7、亞等各大洲的許多國(guó)家所承認(rèn)。目前全世界許多國(guó)家都有自己的流變學(xué)會(huì)，1948年在荷蘭召開(kāi)了第一屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議，以后每4年舉行一屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議。 我國(guó)在流變學(xué)方面的工作是從新中國(guó)成立后才開(kāi)始的，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的促進(jìn)下，無(wú)論是在廣度還是在深度，流變學(xué)在我國(guó)都有了很大的發(fā)展。我國(guó)于1985年11月在長(zhǎng)沙召開(kāi)第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，至今已召開(kāi)了5屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議。 有關(guān)原油流變學(xué)的基本知識(shí)在輸油

8、管道行業(yè)的工程技術(shù)人員中越來(lái)越普及。國(guó)內(nèi)流變學(xué)界某權(quán)威人士曾指出,石油行業(yè)(包括儲(chǔ)運(yùn)、開(kāi)發(fā)等)是國(guó)內(nèi)流變學(xué)應(yīng)用及普及工作做得較好的行業(yè)。,,按照流變學(xué)的定義，它幾乎研究所有物質(zhì)在外力作用下的變形或流動(dòng)問(wèn)題，包括經(jīng)典的Hooke固體和Newton粘性液體這樣的極端。但實(shí)際上這些經(jīng)典極端總是被認(rèn)為超出了現(xiàn)代流變學(xué)研究的范圍。彈性力學(xué)是研究純彈性物體的受力與變形問(wèn)題，流體力學(xué)則研究牛頓流體的受力與流動(dòng)問(wèn)題，在這兩個(gè)極端情況下，物質(zhì)的受力與變形

9、或流動(dòng)的關(guān)系比較簡(jiǎn)單。而許多實(shí)際材料的受力變形或流動(dòng)性質(zhì)處于上述兩個(gè)極端特性之間，這些材料不能用任一傳統(tǒng)的力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿枋?，那么，流變學(xué)就是專(zhuān)門(mén)對(duì)這類(lèi)材料的受力與變形或流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究。所以，流變學(xué)研究的是純彈性固體和牛頓流體狀態(tài)之間所有物質(zhì)的變形與流動(dòng)問(wèn)題。,,流變學(xué)的發(fā)展有著密切的工業(yè)背景，本來(lái)流變學(xué)就是應(yīng)工業(yè)的需要而發(fā)展起來(lái)的，因此，流變學(xué)在各工業(yè)領(lǐng)域的研究發(fā)展產(chǎn)生了許多對(duì)應(yīng)的流變學(xué)分支，象聚合物加工流變學(xué)、生物流變學(xué)、藥

10、品流變學(xué)、食品流變學(xué)、石油流變學(xué)、土壤流變學(xué)等等。,,§1.2 流體的粘度,,,§1.3 力、形變和流動(dòng),在傳統(tǒng)上流變學(xué)作為力學(xué)的一個(gè)分支，因?yàn)槲镔|(zhì)的流變性是應(yīng)用力學(xué)的基本原理來(lái)確定的，盡管流變學(xué)更注重不同物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，而不限于力學(xué)本身。應(yīng)用力學(xué)原理確定引起物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力是動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。流變學(xué)中物質(zhì)所受到的力用應(yīng)力或應(yīng)力張量表示。當(dāng)受到一定的應(yīng)力作用后，所有物質(zhì)都不同程度地變形，如果是流體則變

11、形是連續(xù)的，即產(chǎn)生流動(dòng)。對(duì)這些變形或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述則是運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。流變學(xué)中用應(yīng)變或應(yīng)變速率表示物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即變形或流動(dòng)。,一、連續(xù)介質(zhì)(continuum)的概念 流體質(zhì)點(diǎn)就是流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個(gè)物理實(shí)體。 假定流體是由無(wú)窮多個(gè)、無(wú)窮小的、緊密毗鄰、連綿不斷的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的一種絕無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。 物質(zhì)被看成是連續(xù)介質(zhì)，就擺脫了復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng)，而著眼于宏觀運(yùn)動(dòng)，那么反映宏觀物質(zhì)的各種物理性質(zhì)都是空間

12、坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，在解決流變學(xué)問(wèn)題時(shí)，就可應(yīng)用數(shù)學(xué)分析中的連續(xù)函數(shù)概念進(jìn)行數(shù)學(xué)解析。當(dāng)所研究的物體大小與物質(zhì)分子的平均自由行程在同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，連續(xù)介質(zhì)模型是不適用的。,二、連續(xù)介質(zhì)中的力在流變學(xué)中，作用在質(zhì)點(diǎn)上的力用應(yīng)力表示 1、應(yīng)力矢量(stress vector) 假定作用于p點(diǎn)的力為F， 那么p點(diǎn)的應(yīng)力矢量定義為： 微元表面的取向不同，應(yīng)力矢量T(n)值不同，即應(yīng)力矢量是微元表面法向單位矢量n的函

13、數(shù)，這是應(yīng)力矢量的一個(gè)重要特征。 應(yīng)力矢量可以分解為法向應(yīng)力(沿作用面法線方向)和切向應(yīng)力(或稱(chēng)剪切應(yīng)力)(沿作用面切向)，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力也均是矢量。,,2、應(yīng)力張量(stress tensor) 由于過(guò)一點(diǎn)的作用面方向可任意選取，該點(diǎn)處應(yīng)力矢量的大小和方向也隨之改變，所以，一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)不能用一個(gè)固定的應(yīng)力矢量來(lái)描述，而要用九個(gè)分量組成的應(yīng)力張量來(lái)描述。 每個(gè)分量的第一個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力分量

14、作用面的法線方向，第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力分量的方向。,,,三、連續(xù)介質(zhì)中的形變與流動(dòng) 物質(zhì)變形(包括流動(dòng))的基本特征是其中各點(diǎn)發(fā)生了一定的相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)的概念，可以把物質(zhì)的狀態(tài)定義為構(gòu)成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在空間位置上占據(jù)一定的位置，形成一種確定的構(gòu)形，因此決定物質(zhì)狀態(tài)的是質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成相對(duì)于某一參照系的確定位置。從此意義上講，物質(zhì)狀態(tài)的變化稱(chēng)為變形，而物質(zhì)連續(xù)無(wú)限地變形就是流動(dòng)。,,流變學(xué)中有三種基本變形：簡(jiǎn)單拉伸、簡(jiǎn)單剪切和體積壓

15、縮與膨脹。,,簡(jiǎn)單拉伸： 物體只在一個(gè)方向(受力方向)上產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。長(zhǎng)細(xì)比很大的桿件單向拉伸時(shí)，只能度量出拉伸方向的應(yīng)變。 拉伸應(yīng)變(extensional strain)： 應(yīng)變速率(extensional strain rate)：,,,,簡(jiǎn)單剪切：平行于力作用方向的相鄰面之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，這是一種角應(yīng)變。簡(jiǎn)單變形隨時(shí)間連續(xù)發(fā)展的結(jié)果就是簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)，如液體沿水平等徑管道的穩(wěn)態(tài)層層流動(dòng)等。

16、剪切應(yīng)變(shear strain)： 應(yīng)變速率(shear strain rate)：,,,體積壓縮與膨脹：是靜壓變化引起的。靜壓是一種各向同性的力。對(duì)各向同性的物質(zhì)，靜壓下只改變體積單元的體積，而形狀不變化。 體積應(yīng)變(volume strain)： 應(yīng)變速率(volume strain rate)：,,,,真實(shí)物體的變形只不過(guò)是其中的一種，或是基本變形的疊加而構(gòu)成的復(fù)雜變形。同應(yīng)

17、力的描述相似，流變學(xué)中用應(yīng)變張量和應(yīng)變速率張量來(lái)描述物質(zhì)復(fù)雜的變形和流動(dòng)，即： 應(yīng)變張量： 應(yīng)變速率張量：,,,,對(duì)流體只需用應(yīng)變速率張量。通常用應(yīng)變速率、剪切速率或速度梯度來(lái)描述流體的流動(dòng)。 應(yīng)變速率是單位時(shí)間的應(yīng)變變化: 應(yīng)變速率又分為拉伸應(yīng)變速率和剪切應(yīng)變速率。剪切應(yīng)變速率描述流體的剪切流動(dòng)，拉伸應(yīng)變速率描述流體的拉伸流動(dòng)。在簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)中，流體的流動(dòng)方向與速度梯度方向垂直，如

18、平行平板間的拖動(dòng)流、流體在等直徑圓管中的層流流動(dòng)等；對(duì)簡(jiǎn)單拉伸流動(dòng)來(lái)說(shuō)，流體的流動(dòng)方向與速度梯度方向相同，如紡絲過(guò)程等。,,,剪切速率就是剪切應(yīng)變速率，即單位時(shí)間剪切應(yīng)變的變化，常用 表示剪切速率。 速度梯度是流體元的速度對(duì)空間坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)，用 表示。在數(shù)學(xué)上，速度梯度與剪切速率一般是相等的，這是因?yàn)橐话闼俣忍荻? （剪切速率）。但在某些流動(dòng)條件下，二者的

19、物理意義也有所區(qū)別，如在第三章介紹的同軸圓筒旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。,,,,,流體在不同的流動(dòng)方式下所表現(xiàn)出的流動(dòng)阻力特性不同。剪切粘度等于剪切應(yīng)力與剪切速率之比。剪切粘度就是牛頓內(nèi)摩擦定律中的動(dòng)力粘度。拉伸粘度等于拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變速率之比。對(duì)牛頓流體來(lái)說(shuō)，在簡(jiǎn)單的拉伸流動(dòng)即單軸拉伸流動(dòng)條件下，其拉伸粘度為剪切粘度的3倍；對(duì)非牛頓流體來(lái)說(shuō)，其拉伸粘度大于3倍的剪切粘度。有資料報(bào)道，自然界中95％以上的流動(dòng)為剪切流動(dòng)，本課程除非有特殊說(shuō)明，否則討論的

20、都是剪切流動(dòng)。在流變學(xué)研究中，許多應(yīng)力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以簡(jiǎn)化為二維或一維的簡(jiǎn)單狀態(tài)。如簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)中，受力和流動(dòng)都是一維的。,四、 流變方程反映物料宏觀性質(zhì)的數(shù)學(xué)模型稱(chēng)為本構(gòu)方程，亦稱(chēng)流變狀態(tài)方程和流變方程，它是關(guān)聯(lián)物料所受的應(yīng)力與其流變響應(yīng)如應(yīng)變、應(yīng)變速率和響應(yīng)時(shí)間，甚至溫度等其他變量的方程。尋求物質(zhì)的流變方程是流變學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。流變方程的作用包括： ① 流變方程可以區(qū)分流體類(lèi)型，即不同類(lèi)型的流體要用不同的流變方程

21、來(lái)描述； ② 從流變方程可以獲得流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息，如相轉(zhuǎn)變等； ③ 流變方程與有關(guān)流體流動(dòng)方程相聯(lián)立，可用于解決非牛頓流體的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞等工程問(wèn)題。,,由流變方程決定力學(xué)行為的物質(zhì)是理想的物質(zhì)，實(shí)際上的物質(zhì)不會(huì)絕對(duì)遵循某一本構(gòu)方程，但可以逼近或接近某個(gè)流變方程。對(duì)一些簡(jiǎn)單的流變性質(zhì)的描述也可用曲線形式表示，如剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線、粘度隨剪切速率變化曲線等，并稱(chēng)之為流變曲線。對(duì)一些比較復(fù)雜的流體，其

22、流變方程往往要用張量來(lái)分析描述。,,,,一個(gè)本構(gòu)方程的好與否，主要靠實(shí)驗(yàn)判斷，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合的，就是一個(gè)較好的本構(gòu)方程。本構(gòu)方程的選取主要取決于以下幾個(gè)因素： a)方程的應(yīng)用精度； b)方程的簡(jiǎn)便性； c)應(yīng)用目的； d)物理意義； e)個(gè)人習(xí)好。 可見(jiàn)本構(gòu)方程的選取不是唯一的。,典型流場(chǎng),流場(chǎng)是指液體的物理點(diǎn)（或微團(tuán)）的物理

23、量（如位移、運(yùn)動(dòng)速度……）在給定空間內(nèi)的分布。 典型流場(chǎng)是為簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)微分方程而引入的簡(jiǎn)單流場(chǎng)，而且此簡(jiǎn)單流場(chǎng)在實(shí)際生產(chǎn)中又具有現(xiàn)實(shí)意義。 平行平板間的拖動(dòng)流—簡(jiǎn)單剪切流場(chǎng) 在此流場(chǎng)下，純粘性流體沒(méi)有應(yīng)變張量，只有應(yīng)變速率張量 ，而且可以大大簡(jiǎn)化。其中只有應(yīng)變速率分量 ，其余應(yīng)變速率分量均為零。,,,,,屬于簡(jiǎn)單剪切流場(chǎng)的還有：(l)管流中的Poise

24、uille 流動(dòng)；(2)同軸旋轉(zhuǎn)圓筒間的Couette流動(dòng)和Searle流動(dòng)；(3)旋轉(zhuǎn)錐板間的剪切流動(dòng)等等。,§1.4 物質(zhì)的流變學(xué)分類(lèi),表1-1 簡(jiǎn)單剪切條件下物質(zhì)的流變學(xué)分類(lèi)譜,上述分類(lèi)仍然是理想化、模型化的。在通常條件下，許多物料可以明顯地歸類(lèi)為虎克固體或牛頓流體，而有些物料則介于這些譜類(lèi)之間，它們既不是明顯的固體，也不是明顯的液體，只是在某種特定條件下，有某種特征占優(yōu)勢(shì)，這樣就可以參考上述某一理想化的模式探討其

25、流變行為，這就是簡(jiǎn)單分類(lèi)的意義。,,盡管許多物質(zhì)比較明顯地分為固體或流體，但也有相當(dāng)多的物質(zhì)很難認(rèn)為它們是固體還是流體，粘彈性體就是這一類(lèi)物質(zhì)。 粘彈性體是一類(lèi)在受力條件下，既表現(xiàn)出彈性又表現(xiàn)出粘性的一類(lèi)物質(zhì)，其又可分為以彈性特征為主的彈粘性固體和以粘性特征為主的粘彈性流體。,,一般說(shuō)來(lái)，在一個(gè)剪切應(yīng)力作用下，流體將產(chǎn)生連續(xù)的變形，而固體將產(chǎn)生一個(gè)平衡的變形結(jié)構(gòu)。實(shí)際上這種性質(zhì)也是相對(duì)的，它決定于物質(zhì)固有的特性時(shí)間和觀察應(yīng)力

26、和應(yīng)變變化的時(shí)間之間的相對(duì)大小，以及應(yīng)力和應(yīng)變的大小。 如一種稱(chēng)之為“反跳膠泥”的有機(jī)硅材料，盡管其非常粘滯，但若給以足夠的時(shí)間，它終將流成水平。然而，由它做的小球往地板上擲時(shí)會(huì)反跳起來(lái)。不難得出結(jié)論，在長(zhǎng)時(shí)間標(biāo)尺內(nèi)發(fā)生的慢流動(dòng)過(guò)程中，膠泥的行為象流體；在劇烈且突然的形變下，膠泥會(huì)反跳，從而表現(xiàn)出固體的特征。 因此，依賴(lài)于形變過(guò)程的時(shí)間標(biāo)尺，一種給定物質(zhì)或材料的行為可能象固體或流體。 實(shí)際上流變學(xué)的一

27、個(gè)基本原理，也就是希臘哲學(xué)家赫拉克里特斯(Heraclitus)的一句哲學(xué)名言，即萬(wàn)物皆流。,為了描述材料的流變行為，現(xiàn)代流變學(xué)的奠基人之一瑞訥爾(Reiner)提出了一個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)即德博拉(Deborah)數(shù)De的概念： De=τ/T T是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間，或者說(shuō)是觀察形變過(guò)程的特征時(shí)間；τ是物質(zhì)的特征時(shí)間或記憶時(shí)間。 利用德博拉數(shù)可將物質(zhì)的流變學(xué)分類(lèi)引入更一般化的概念中。嚴(yán)格地說(shuō)，人

28、們不能離開(kāi)物質(zhì)特定的運(yùn)動(dòng)特征時(shí)間來(lái)說(shuō)明其是固體還是流體，只要能使物質(zhì)處于某種特定的運(yùn)動(dòng)特征中，任何物質(zhì)都可能呈現(xiàn)彈性或粘性。,若De>1，物質(zhì)表現(xiàn)出固體行為，具有彈性； 若De≈1，則物質(zhì)表現(xiàn)出粘彈性。 流變學(xué)不限于具體的物質(zhì)形態(tài)，而更注重于物質(zhì)具體的流變行為。即流變學(xué)研究各種物質(zhì)在彈性固體行為和牛頓流體行為之間的流變性質(zhì)。 若其涉及的物質(zhì)在一般條件下表現(xiàn)出流體類(lèi)的性質(zhì)，則稱(chēng)之為流體流變學(xué)。

29、 流體流變學(xué)研究不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的所有流體的性質(zhì)，這類(lèi)流體被稱(chēng)為非牛頓流體。 可以說(shuō)非牛頓流體力學(xué)與流體流變學(xué)具有相同的概念。原油流變學(xué)就是一門(mén)流體流變學(xué)。,從原理上人們把流變學(xué)分為以下四個(gè)主要研究方向：宏觀流變現(xiàn)象的描述；上述宏觀現(xiàn)象在分子或粒子水平上的解釋及描述；描述上述宏觀現(xiàn)象的有關(guān)常數(shù)及函數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定；流變學(xué)的實(shí)際應(yīng)用。 按照這一分類(lèi)，流變學(xué)則由以下四個(gè)對(duì)應(yīng)分支組成，即現(xiàn)象流變學(xué)(或宏觀流變學(xué)

30、)、結(jié)構(gòu)流變學(xué)(或微觀流變學(xué))、流變測(cè)量學(xué)和應(yīng)用流變學(xué)。,§1.5 流變學(xué)的研究方向,§2.1 流體的流變性分類(lèi)一、分散體系的概念 分散體系是指將物質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))分裂成或大或小的粒子，并將其分布在某種介質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))之中所形成的體系。分散體系可以是均勻的也可以是非均勻的系統(tǒng)。均勻分散體系是由一相所組成的單相體系，而非均勻分散體系是指由兩相或兩相以上所組成的多相體系。如果被分散的

31、粒子小到分子狀態(tài)的程度，則分散體系就成為均勻分散體系。非牛頓流體往往是一種非均勻分散體系。,第二章 流體流變學(xué)基礎(chǔ),非均勻分散體系必須具備2個(gè)條件： ① 在體系內(nèi)各單位空間所含物質(zhì)的性質(zhì)不同； ② 存在著分界的物理界面。 對(duì)非均勻分散體系，被分散的一相稱(chēng)為分散相或內(nèi)相，把分散相分散于其中的一相稱(chēng)為分散介質(zhì)，亦稱(chēng)外相或連續(xù)相。 盡管非牛頓流體在微觀上往往是非均勻的多相分散體系，或非均勻的多相混合流體，但在用連續(xù)介質(zhì)理論

32、或宏觀方法研究其流變性問(wèn)題時(shí)，一般可以忽略這種微觀的非均勻性，而認(rèn)為體系為一種均勻或假均勻分散體系。,假均勻多相混合流體認(rèn)為，分散相在分散介質(zhì)中的分布是均勻的，即在非紊流的情況下分散相依靠自身的布朗運(yùn)動(dòng)也能均勻地分布于連續(xù)相中。 高分子聚合物類(lèi)的溶液或熔體，盡管它是均勻的，但由于聚合物相對(duì)分子質(zhì)量龐大，分子結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜，也往往表現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)。,二、 流體的流變性分類(lèi),研究對(duì)象： 單相流體或假均勻多相混合物

33、流體流場(chǎng)： 簡(jiǎn)單剪切流場(chǎng)研究方法： 宏觀方法，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系在直角坐標(biāo)上用曲線表示，根據(jù)曲線的形狀可判斷流體的流變類(lèi)型，進(jìn)而回歸出流變方程。,§2.2 與時(shí)間無(wú)關(guān)的粘性流體,1.牛頓流體（Newtonian fluid） ⑴ 牛頓流體流變曲線為通過(guò)原點(diǎn)的直線。 ⑵ 可用直線方程回歸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即得流變方程： ⑶ 流變方程中反映流體流變特性的參數(shù)

34、只有一個(gè)μ。對(duì)牛頓流體來(lái)說(shuō)，其流變方程只有一種形式。 ⑷ 典型的牛頓流體舉例：水、甘油、低分子量的成品油，空氣。 ⑸ 牛頓流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?jiǎn)蜗嗔黧w、分散相濃度很低的假均勻多相混合物流體。,,2.假塑性流體（Pseudoplasticfluid） ⑴在直角坐標(biāo)系中，其流變曲線為凹向剪切速率軸的且通過(guò)原點(diǎn)的一條曲線。 ⑵ τ和 是一一對(duì)應(yīng)的，即受力就有流動(dòng)，但τ與 的變化關(guān)系不成比例（

35、即不符合牛頓流體內(nèi)摩擦定律，故為非牛頓流體）。隨著 的增加，τ的增加率逐漸降低。 ⑶表觀粘度μap（apparent viscosity） 對(duì)非牛頓流體，沒(méi)有恒定的粘度概念，不同的剪切速率下有不同的表觀粘度，這是非牛頓流體的一大特點(diǎn)。,,,,,,,要說(shuō)明其表觀粘度為多大，一定要注明對(duì)應(yīng)的剪切速率或剪切應(yīng)力條件。 在流變曲線上，表觀粘度為曲線上某一點(diǎn)與原點(diǎn)所連直線的斜率，而不是流變曲線在該點(diǎn)

36、的切線的斜率。剪切稀釋性 對(duì)假塑性流體，隨著剪切速率或剪切應(yīng)力的增加，表觀粘度降低。對(duì)其它類(lèi)型的非牛頓流體，有的也表現(xiàn)出這一特點(diǎn)。這種性質(zhì)在流變學(xué)上被稱(chēng)為剪切稀釋性（shear thinning）。,剪切稀釋性的微觀機(jī)理,⑶流變方程： 假塑性流體不象牛頓流體那樣具有確定的流變方程形式，往往是有多種形式的流變方程可用于描述假塑性流體特性。 冪律方程形式(工程上應(yīng)用最廣泛)： 式中:

37、 K—稠度系數(shù)，Pa?sn n—冪律行為指數(shù)，亦稱(chēng)流變指數(shù)（無(wú)因次），對(duì)假塑性流體，0＜n＜1。,在工程上常用冪律方程描述假塑性流體特性，原因有以下幾點(diǎn)： ①該方程一般在1~3個(gè)數(shù)量級(jí)的剪切速率范圍內(nèi)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得較好。 實(shí)際上假塑性流體在剪切速率接近于零的低剪切速率范圍內(nèi)，其流變行為符合牛頓流體性質(zhì)，常稱(chēng)之為第一牛頓區(qū)；而在剪切速率足夠高的范圍內(nèi)，其流變行為又符合牛頓流體性質(zhì)，

38、稱(chēng)之為第二牛頓區(qū)。,②流變方程簡(jiǎn)單，只有兩個(gè)反映流變性質(zhì)的常數(shù)（非牛頓流體至少需要兩個(gè)常數(shù)的流變方程，才能描述其流變行為），且這兩個(gè)常數(shù)的物理意義比較明確。例如，k反映了流體的粘稠程度，n（n小于1）反映了流體的剪切稀釋性質(zhì)，n越小，流體的剪切稀釋性越強(qiáng)。③方程便于線性化，數(shù)學(xué)回歸簡(jiǎn)單，從而使得k、n便于求解。 ④冪律形式的流變方程便于工程上進(jìn)行推導(dǎo)應(yīng)用，注意：符合 （0<n<1）的流體是假塑

39、性流體，但并不是只有符合該方程的流體才屬于假塑性流體，描述假塑性流體的流變方程可以有多種類(lèi)型。,⑷典型假塑性流體舉例：如果醬、聚合物溶液、乳狀液、稀釋后的油墨、一定溫度下的原油等等。(5)流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： a）內(nèi)相顆粒具有不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，剪切流動(dòng)時(shí)，顆粒在流動(dòng)方向上出現(xiàn)不同程度的定向； b）乳狀液，其內(nèi)相顆粒在流動(dòng)剪切作用下發(fā)生變形； c）存在內(nèi)相顆粒的聚集體結(jié)構(gòu)，在剪切流動(dòng)時(shí)，這種聚集結(jié)構(gòu)被不同程度

40、地打破； d）分散相是親液的，會(huì)出現(xiàn)溶劑化現(xiàn)象，溶劑化的顆粒在剪切作用下遭到破壞，已溶劑化的液體會(huì)不同程度地分離出來(lái)，從而使顆粒的有效體積減小，流動(dòng)阻力減??； e）大分子在流動(dòng)方向上不同程度地伸展。 總之，假塑性流體在流動(dòng)過(guò)程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有從無(wú)序到有序的特點(diǎn)。,3.膨腫性流體（或稱(chēng)脹流型流體） ⑴在直角坐標(biāo)系中，膨腫性流體的流變曲線為通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且凹向剪切應(yīng)力軸的曲線，如圖所示。

41、 ⑵一受力就有流動(dòng)，但剪切應(yīng)力與剪切速率的不成比例，隨著剪切速率的增大，剪切應(yīng)力的增加速率越來(lái)越大，即隨著剪切速率的增大，流體的表觀粘度增大，這種特性被稱(chēng)為剪切增稠性（shear thickening）。因此，膨腫性流體具有剪切增稠性。,⑶流變方程： 工程上常用冪律方程形式： ， （n>1） ⑷典型流體舉例：芝麻醬加鹽水形成的

42、混合物、沙灘上的濕沙、做饅頭的面團(tuán)、一定濃度下的二氧化鈦的水懸浮液。⑸內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： a）剪切增稠性是流體結(jié)構(gòu)從一種有序狀態(tài)到無(wú)序狀態(tài)的變化； b）剪切力超過(guò)了顆粒之間的膠體力，因?yàn)檫@種流體在自身膠體力的作用下形成有序結(jié)構(gòu)的；,,c）具有不太低的內(nèi)相濃度，且內(nèi)相濃度處于一個(gè)較窄的范圍內(nèi)。例如，淀粉大約在40~50%的濃度范圍內(nèi)可表現(xiàn)出明顯的膨腫性流體特性；d）內(nèi)相顆粒的尺寸分布是單分散強(qiáng)于多分散；e）剪切增

43、稠性還與介質(zhì)粘度和顆粒尺寸有關(guān)；f）剪切增稠性往往只產(chǎn)生在一定的剪切速率范圍內(nèi)。 在石油工業(yè)中，鉆井時(shí)，如遇到脹流性很強(qiáng)的地層，將會(huì)發(fā)生卡鉆的嚴(yán)重事故。,4.賓漢姆塑性流體（Bingham plastic fluid） ⑴流變曲線為一條直線，但直線不通過(guò)坐標(biāo)原 點(diǎn)，而是與剪切應(yīng)力軸在τB處相交。 ⑵當(dāng)對(duì)流體施加的外力 ττB時(shí)，體系才產(chǎn)生流動(dòng)。且流動(dòng)后流體具有剪切稀釋性。τB是使體系產(chǎn)生流動(dòng)所需要的最小剪切應(yīng)力，即使

44、流體產(chǎn)生大于0的剪切速率所需要的最小剪切應(yīng)力，稱(chēng)之為屈服值。屈服值的大小是體系所形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)所決定的。 凡是具有屈服值的流體均稱(chēng)為塑性流體（plastic fluid），外力克服其屈服值而產(chǎn)生的流動(dòng)稱(chēng)為塑性流動(dòng)。,5．屈服假塑性流體（yield pseudoplasticfluid） ⑴流變曲線為一條不同過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且凹向剪切速率軸的曲線，曲線與剪切應(yīng)力軸的交點(diǎn)為τy。這種流體兼有屈服特性和

45、假塑性流體的一些特性，故稱(chēng)之為屈服假塑性流體。 ⑵τy為這種流體的屈服值，當(dāng) τ>τy時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系是非線性的，并具有剪切稀釋性。 ⑶流變方程：常用Herschel-Bulkley方程描述這類(lèi)流體,,一般n<1 ，且,,⑷典型流體舉例：高分子聚合物，低溫含蠟原油等 ⑸內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：分散相濃度較大，粒子的不對(duì)稱(chēng)程度及聚集程度大，粒子間的結(jié)合力較強(qiáng)，易于形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。,,6.卡

46、松流體（Cassonianfluid）⑴在 坐標(biāo)系中，流變曲線的直線。 ⑵τC為卡松屈服值，τ~ 的變化關(guān)系不成比例，卡松流體具有剪切稀釋性。 ⑶流變方程：式中，μC為卡松粘度。⑷典型流體舉例：動(dòng)物的血液、巧克力等。 ⑸內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：符合塑性流體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理論。,,,,,思考：1.如何定量分析各種類(lèi)型流體的剪切稀釋性和剪切增稠性？2.為什么含蠟原油會(huì)隨著溫度的降低出現(xiàn)牛頓流體、假塑性流體、

47、屈服－假塑性流體三種流變類(lèi)型？,與時(shí)間無(wú)關(guān)的粘性流體的共同特點(diǎn)： 流體內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的變化都是瞬間即可調(diào)整到與剪切力相適應(yīng)的程度。即給定一個(gè)剪切應(yīng)力就對(duì)應(yīng)一個(gè)剪切速率，反之，給定一個(gè)剪切速率就對(duì)應(yīng)一個(gè)剪切應(yīng)力，粘度或表觀粘度不隨時(shí)間變化。從理論上講，物質(zhì)任何狀態(tài)的變化，都對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間過(guò)程。但若這一時(shí)間過(guò)程很短，致使現(xiàn)有技術(shù)對(duì)觀察和測(cè)定這些變化顯得不夠靈敏，或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化所經(jīng)歷的時(shí)間盡管能測(cè)定出來(lái)，但對(duì)所研究的問(wèn)題不是主要的因

48、素，或者研究的是時(shí)間因素消除后的體系流變性質(zhì)，在這些條件下都可以把流體視為與時(shí)間無(wú)關(guān)的流體。,一、概述 若粘性流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程才能調(diào)整到與流動(dòng)條件或靜止條件相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)，那么，在這種結(jié)構(gòu)變化過(guò)程中，流體的宏觀表現(xiàn)就是流體的表觀粘度與時(shí)間有關(guān)，這種流體就稱(chēng)為與時(shí)間有關(guān)的粘性流體。 與時(shí)間有關(guān)的粘性流體可分為一下兩類(lèi)： 1、觸變性流體（thixotropicfluid）

49、 1975年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)給觸變性下的定義是：在恒定的剪切應(yīng)力或剪切速率作用下，流體表觀粘度隨時(shí)間連續(xù)下降，并在剪切應(yīng)力或剪切速率消除后，表觀粘度隨之恢復(fù)的現(xiàn)象，稱(chēng)為觸變性。,§2.3 與時(shí)間有關(guān)的粘性流體,2、反觸變性流體（anti-thixotropyor negative-thixotropy） 即在恒定的剪切應(yīng)力或剪切速率作用下，流體表觀粘度隨時(shí)間而增加。其性質(zhì)正好與觸變性相反。反觸變性流體比較少

50、見(jiàn)，研究得較少，有時(shí)名稱(chēng)也混亂，如有時(shí)被稱(chēng)作震凝性。 在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，觸變性體系是比較常見(jiàn)的，如油漆、泥漿、低溫含蠟原油等。,,二、觸變性特征： (1)在靜止條件下，流體結(jié)構(gòu)發(fā)展增強(qiáng) (2)在剪切作用下，這種結(jié)構(gòu)能夠被破壞,,(3)結(jié)構(gòu)的破壞和恢復(fù)是等溫可逆的，但結(jié)構(gòu)恢復(fù)往往要比構(gòu)的破壞所需的時(shí)間長(zhǎng)得多 (4)在恒剪切速率作用下，流體流變性有如下表現(xiàn)：,,a)如果流體以前處于靜止?fàn)顟B(tài)或經(jīng)受

51、較低的剪切速率剪切，那么，剪切應(yīng)力將隨時(shí)間而下降,b)如果流體以前經(jīng)受較高的剪切速率剪切，那么，剪切應(yīng)力將隨時(shí)間而增加,,c)不管流體以前經(jīng)受的剪切條件如何，如果流體在恒定的剪切速率條件下剪切足夠長(zhǎng)的時(shí)間，剪切應(yīng)力最終將達(dá)到一個(gè)與剪切速率相對(duì)應(yīng)的動(dòng)平衡值； (5) 當(dāng)剪切速率突然變化時(shí)，剪切應(yīng)力的響應(yīng)是瞬時(shí)的（即沒(méi)有彈性延遲響應(yīng)特性）；,(6) 在剪切速率連續(xù)增加而后又連續(xù)減小的循環(huán)程序下，剪切應(yīng)力與剪切速率的變化曲線將是順

52、時(shí)針?lè)较虻臏厍€。,,三、觸變性的微觀機(jī)理觸變性可以被解釋為是流體內(nèi)懸浮顆粒聚集的結(jié)果。在分散體系中，顆粒之間由于Van De Waals力而相互吸引，而又由于靜電斥力和空間斥力而相互排斥。體系最終的穩(wěn)定狀態(tài)將取決于這兩種力的相對(duì)大小。如果分散體系處于靜止，顆粒聚集體能形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須足夠強(qiáng)，以阻止熱布朗運(yùn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。如果體系被剪切，弱的物理作用鍵被破壞，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破碎成各自獨(dú)立的聚集體，這種聚集體

53、又會(huì)進(jìn)一步破碎成較小的稱(chēng)作流動(dòng)單元的碎塊。另一方面，熱運(yùn)動(dòng)以及流動(dòng)剪切造成流動(dòng)單元之間的相互碰撞，進(jìn)而使顆粒聚集體尺寸增長(zhǎng)、數(shù)目增加。經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，達(dá)到與給定的剪切速率相適應(yīng)的聚集體破壞與增長(zhǎng)的動(dòng)平衡狀態(tài)。如果在更高的剪切速率下剪切，動(dòng)平衡將向顆粒進(jìn)一步分散的方向變化。,隨剪切速率增大，體系粘度降低（剪切稀釋性）的主要原因是： 顆粒之間作用鍵的破壞所造成的體系耗散能量的降低。剪切稀釋性的結(jié)構(gòu)機(jī)理實(shí)際上是觸變現(xiàn)象的本質(zhì)原因，即

54、流體剪切稀釋性所對(duì)應(yīng)的流體結(jié)構(gòu)的變化需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程，這一時(shí)間過(guò)程在宏觀上就表現(xiàn)為粘度隨時(shí)間的變化具有觸變性現(xiàn)象。,四、觸變性測(cè)量及觸變模式,用微觀方法建立本構(gòu)方程，描述其力學(xué)響應(yīng)尚有困難 。常常通過(guò)宏觀方法對(duì)各種觸變性流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 。測(cè)量方法雖然不少，但還沒(méi)有公認(rèn)的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法。 τ— —t曲線法以及相對(duì)應(yīng)的觸變模式R—G模式。,,R—G模式方程：,式中：τ——可觀測(cè)的總剪切應(yīng)力；τs——結(jié)構(gòu)應(yīng)力分量；τμ

55、——牛頓應(yīng)力分量(τμ=μ )(其中的μ是假定流體在高剪切速率下作用較長(zhǎng)的時(shí)間，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已全被破壞，可以認(rèn)為已與剪切速率和時(shí)間無(wú)關(guān)的值，因此稱(chēng)“牛頓”粘度)。,,,τs0——給定剪切速率下，零時(shí)刻剪切后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，由下式確定： τs∞ ——給定剪切速率下，經(jīng)無(wú)限時(shí)間(即達(dá)到動(dòng)平衡態(tài))剪切后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，由下式確定： τs1 ——剪切持續(xù)1 min時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，由下式確定： t——剪切作用的持續(xù)時(shí)間，min；KD——與剪

56、切速率無(wú)關(guān)的常數(shù)，它是相對(duì)于結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程的流體特征值，min-1；KDR——描述結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)的破壞與重建過(guò)程中，分散相之間相互作用的一個(gè)無(wú)因次度量。,,,,,,,,圖2－24 剪切應(yīng)力衰減曲線,,,一、物質(zhì)粘彈性的概念 考慮一種物質(zhì)，在一定的剪切應(yīng)力作用下，物質(zhì)發(fā)生一定的剪切變形，當(dāng)外力消除后，這種變形可能不恢復(fù)也可能恢復(fù)，可能完全恢復(fù)至零，也可能不完全恢復(fù)至零。 如果剪切變形最終不能恢復(fù)至零，則說(shuō)物質(zhì)產(chǎn)生

57、了流動(dòng)。即使在微小的應(yīng)力作用下，如果物質(zhì)產(chǎn)生了流動(dòng)，則說(shuō)這種物質(zhì)為流體（流變學(xué)中一般不考慮氣體），否則，物質(zhì)為固體。 如果物質(zhì)沒(méi)有變形的恢復(fù)發(fā)生，則稱(chēng)物質(zhì)為非彈性的。 對(duì)一種流體來(lái)說(shuō)，如果其變形能部分地恢復(fù)，則稱(chēng)其為彈性液體。,§2.4 粘彈性流體簡(jiǎn)介,考慮到時(shí)間因素，若固體的變形與恢復(fù)是瞬時(shí)發(fā)生的，則這種物質(zhì)具有理想彈性； 否則，固體的變形與恢復(fù)比較慢，即有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，則這種固體稱(chēng)為彈

58、粘性固體。 彈性液體，也稱(chēng)為粘彈性流體，其變形和恢復(fù)也需一個(gè)時(shí)間過(guò)程。 粘彈性流體是一類(lèi)既有粘性又有彈性的液體，其受外力作用時(shí)，由于彈性而要產(chǎn)生一定的變形（有一定的時(shí)間過(guò)程），外力消除后，這種變形要完全恢復(fù)（有一定時(shí)間過(guò)程）；又由于粘性，其在外力作用下要產(chǎn)生一定的流動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的變形是不可恢復(fù)的。,,,,二、粘彈性流體的一些流變現(xiàn)象 1. 爬桿現(xiàn)象 又稱(chēng)韋森堡（Weissenberg）

59、效應(yīng),,,,2. 擠出脹大現(xiàn)象,,,,3. 同心套管軸向流動(dòng)現(xiàn)象,,,,4. 回彈現(xiàn)象5. 無(wú)管虹吸現(xiàn)象,,,,6. 次級(jí)流現(xiàn)象,,,,三、粘彈性流體與觸變/反觸變流體的時(shí)間效應(yīng)區(qū)別 粘彈性流體與觸變性/反觸變性流體均具有剪切的時(shí)間效應(yīng)。 例如，當(dāng)突然給一流體施加一剪切應(yīng)力時(shí)，相應(yīng)的剪切應(yīng)變隨時(shí)間而變化，其原因可明顯地分為兩類(lèi)：,一類(lèi)是對(duì)應(yīng)粘彈性流體的，提供給流體的機(jī)械能（剪切應(yīng)力提供）的一部分作為彈性

60、能而儲(chǔ)存起來(lái)，相對(duì)于一特定的剪切應(yīng)力，當(dāng)逐漸達(dá)到其最大儲(chǔ)存能量時(shí)，所需的能量供給速率降低到僅用于維持流體的粘性流動(dòng)，因此，相應(yīng)的剪切速率隨時(shí)間逐漸減小，最后達(dá)到恒定值。,另一類(lèi)是對(duì)應(yīng)觸變性/反觸變性流體的，在一定的剪切應(yīng)力下，流體的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，從而造成剪切速率的變化。這種流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化可能是懸浮顆粒間弱鍵的斷裂，或是不規(guī)則形狀的粒子或長(zhǎng)鏈分子的定向排列，也可能是粒子之間的碰撞并形成離子聚集體。并且在剪切應(yīng)力消除時(shí)，沒(méi)有彈性回

61、復(fù)現(xiàn)象。剪切速率隨時(shí)間的變化可能增加，表現(xiàn)出觸變性，也可能減小，表現(xiàn)出反觸變性。,粘彈性流體/觸變性流體/反觸變性流體的力學(xué)響應(yīng)曲線圖（a）粘彈性流體；（b）觸變性流體；（c）反觸變性流體。,,,,粘彈性流體與觸變性流體的時(shí)間效應(yīng)比較容易區(qū)分，但對(duì)粘彈性流體與反觸變性流體來(lái)說(shuō)，在應(yīng)力作用下的時(shí)間效應(yīng)相似，只是在應(yīng)力消除后，粘彈性流體有彈性應(yīng)變的恢復(fù)過(guò)程，而反觸變流體則沒(méi)有。當(dāng)然，兩大類(lèi)流體的時(shí)間響應(yīng)還有其它區(qū)別，特別是粘彈性流體的初始

62、剪切速率往往取決于流體的慣性和實(shí)驗(yàn)儀器的慣性，而觸變性/反觸變性流體的初始剪切速率主要取決于流體的初始粘度。,一、元件模型1.彈性元件 用彈簧表示彈性元件。 其基本特點(diǎn)是： (1) 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系方程服從虎克定律：τ=Gγ(或σ=Eε) (2) 應(yīng)力和應(yīng)變一一對(duì)應(yīng)，與時(shí)間無(wú)關(guān)。 (3) 彈簧的應(yīng)變瞬時(shí)可以發(fā)生，應(yīng)力消除后，應(yīng)變立即消除。,§2.5 線性粘彈性體(模型),,,,2

63、.粘性元件粘性元件用粘壺表示：其基本特點(diǎn)為：(1) 受力與流動(dòng)服從牛頓內(nèi)摩擦定律：(2) 沒(méi)有瞬時(shí)應(yīng)變(粘性阻滯所致)，即在t＝0時(shí)刻，開(kāi)始施加剪切應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變?yōu)榱?，但?yīng)變速率不為零。(3) 由 得 ，又t＝0時(shí)，得γ＝0，則 因此，在恒應(yīng)力作用下，應(yīng)變可無(wú)限增加。(4)應(yīng)力消除后，應(yīng)變不能回復(fù)。,,,,,,,,

64、,,,,二、二元模型1.Maxwell（粘彈串聯(lián)）模型,在串聯(lián)方式下： τE=τv=τ γE+γv =γ 將應(yīng)變對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,在并聯(lián)方式下： γE = γv =γτE+τv=τ 則： 或,,,2.Voight－Kelvin模型,一、概述 按照分散相顆粒的大小，可以把液體類(lèi)的分散體系分為如下幾類(lèi)：

65、 ① 高粒度懸浮液，粒子直徑大于10μm； ② 懸浮液，粒子直徑為10～0.1μm； ③ 溶膠，粒子直徑為100～1nm； ④ 真溶液，分子狀態(tài)分散。 當(dāng)分散相粒子尺寸比分散介質(zhì)的分子間距離大時(shí)，就可把這種體系作為懸浮液處理?？梢哉f(shuō)懸浮液是固體顆粒(廣義上包括液體顆粒)作為分散相與液體介質(zhì)(分散介質(zhì))所構(gòu)成的多相分散體系。 以懸浮液為研究對(duì)象的流變學(xué)稱(chēng)為懸浮液流變學(xué)。

66、,§2.5 懸浮液微觀流變學(xué),懸浮液的流變性根本上是由懸浮液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的，如分散相濃度、顆粒形狀、顆粒大小與分布、顆粒的界面性質(zhì)、液體的極性、顆粒間的作用性質(zhì)等。 強(qiáng)調(diào)：表示懸浮液內(nèi)相濃度的參數(shù)是內(nèi)相顆粒占懸浮液的體積，即體積分?jǐn)?shù)，而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 微觀流變學(xué)注重在分子和顆粒水平上解釋或描述宏觀流變現(xiàn)象，注重流體的微觀結(jié)構(gòu)與其流變性之間的關(guān)系，依據(jù)物理概念將物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)模型化，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，

67、建立物質(zhì)的本構(gòu)方程。,二、作用在分散相顆粒上的力 1.膠體源力 膠體源力即粒子間相互作用產(chǎn)生的膠體源力。 (1)粒子間的范德華（Van DerWaals）引力􀂙 靜電力：是極性分子的偶極子之間的引力；􀂙 誘導(dǎo)力：是極性分子的偶極子與其它分子的誘導(dǎo)偶極子之間的引力；􀂙 色散力：是分子的誘導(dǎo)偶極子之間的引力。

68、 Van Der Waals引力所包含的三種力均與分子間距離的六次方成反比，作用范圍一般在0.3~0.5nm，與其它力相比屬于短程力。,懸浮體內(nèi)相顆粒是許多分子的聚集體，因此，粒子間的引力是粒子中所有分子引力的總和。顆粒間的吸引力與粒子間距離的三次方成反比，這說(shuō)明粒子間有“遠(yuǎn)程”的Van Der Waals引力，即在比較遠(yuǎn)的距離時(shí)顆粒間仍有一定的吸引力，其作用范圍一般在1~10nm。 (2) 靜電排斥力

69、 當(dāng)懸浮體系是由電解質(zhì)溶液所形成時(shí)，顆粒表面會(huì)帶一定的電荷，表面電荷與擴(kuò)散在電解質(zhì)溶液中的周?chē)姆措x子層組成所謂的雙電層。顆粒的雙電層之間會(huì)產(chǎn)生靜電斥力，這種顆粒間的靜電斥力作用范圍近似為一個(gè)雙電層的厚度。,隨電介質(zhì)濃度增大，雙電層厚度或靜電斥力的作用范圍減小。計(jì)算表明，顆粒間的靜電斥力是顆粒間距離的指數(shù)函數(shù)。 (3)大分子空間斥力 當(dāng)內(nèi)相顆粒表面吸附一定量的具有一定結(jié)構(gòu)的大分子時(shí)，大分子會(huì)在顆粒表面形成