非牛顿流体-中国流变网

第一篇：非牛顿流体-中国流变网

流变学简介

流变学是一门介于力学、化学、物理与工程科学之间的新兴交叉学科,是物理学的一个分支，它主要研究材料在外界作用(应力、应变、温度、电场、磁场、辐射等)下的变形和流动的科学。这里所说的材料既包括流体形态，也包括固体形态的物质。在常温常压下，物质可分为固体、液体和气体三种状态；特殊情况下，还有等离子态和超固态。气体和液体又合称为流体。

从力学分析的角度，通常认为流体与固体的主要差别，在于它们对于外力的抵抗能力不同。固体有能力抵抗一定大小的拉力、压力和剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形。固体静止时，可以有法向应力和切向应力。而流体在静止时，则不能承受切向应力，微小的剪切刀将使流体产生连续不断的变形。只有当剪切力停止作用时，流体的变形方会停止。流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观性质，通常称为流动性。

虎克弹性固体力学

一般认为，英国物理学家虎克于1678年首先提出了，在小变形情况下，固体的变形与所受的外力成正比。这一弹性体变形与应力关系的基本规律，后来称为虎克定律。

牛顿流体力学

英国科学家牛顿在1687年最先提出了流体的应力和应变率成正比，后来将此称为牛顿黏性定律，并将符合这一规律的流体称为牛顿流体，其中包括最常见的流体—水和空气，而将不符合这一规律的流体称为非牛顿流体。

上述两定律是在17世纪发表的，但直到19世纪末才由柯西、纳维、斯托克斯等人推广到三维变形和流动，并为科学界广泛接受。从那以后，虎克弹性固体力学和牛顿流体力学随着它在许多工程分支学科中的应用，而得到巨大的发展。但是流变学通常并不包括对上述两种情况的研究，流变学要研究更加复杂的材料。

流变学的诞生

1928年雷纳应邀从巴勒斯坦到美国访问，与印地安纳州Lafayette学院的宾汉（Bingham E C 1878～1945）教授一起工作。宾汉对雷纳说，我（一个化学家）和你（一个土木工程师），一起工作解决共同的问题，随着胶体化学的发展，这种工作方式将会变得很平常，因此需要建立一个物理学科的分支来处理这类问题。雷纳告诉宾汉，这样的分支是存在的，并且作为连续介质力学而被人们所认识。宾汉认为这样做不好，会吓跑化学家，需要给它起一个新的名字。

宾汉请教了一位担任古典文学教授的同事，根据公元前6世纪古希腊哲学家赫拉克利特（Heraclitus）“一切皆流”的说法，提出了“流变学”（Rheology）这个名字。Rheo一词来源于希腊语Rheos（流动）之意。Rheology的中文译名没有简单地译成流动学，而是创造性地译成流变学，既有流动，又有变形。

宾汉于1928年在美国提议成立了流变学会（Rheological Society），研究材料的变形和流动。1929年召开了流变学会的第一次会议，并创办了《流变学杂志》。

这个流变学杂志，在1933年后曾停止出版；1957年作为《Transactions of Society of Rheology》重新出版；1978年又恢复其最初的名字《流变学杂志》（Journal of Rheology）。

宾汉是流变学的奠基人。他研究了悬胶、油漆、水泥等一些材料的流变特性，写了一系列论文，特别是在1919年和H.格林联合发表的论文“油漆是一种塑性材料而不是黏性流体”，该文指出，油漆在剪切应力较小时，剪切应变率为零（或不发生流动），只有在剪切应力超达过临界值（即屈服应力）时，才发生流动，这时应变率和应力与屈服应力之差成正比。后来人们将具有这种流变规律或本构关系的材料或物质，称为黏塑性材料或宾汉塑性材料（简称宾汉体）。Eg:除油漆外，石膏、悬胶、面粉团，水泥砂浆等均可作为宾汉体来处理。圣维南的塑性流动材料和牛顿流体，均可作为宾汉体的特殊情况，前者的流动速度为零，后者的屈服应力为零。

直到第二次世界大战爆发以前，美国流变学会仍是世界上唯一的流变学会。1939年，荷兰皇家科学院成立了以J.M.伯格斯为首的流变学小组。1940年，英国成立了流变学家俱乐部。

1945年12月国际科学联合会（International Council of Scientific Unions）组织了一个流变学委员会。1947年在冯卡门主席的主持下举行了第一次会议，代表们来自物理、化学、生物科学、大地测量、空气物理、理论和应用力学的国际联合会。委员会的职能是：对流变学的专门名词进行命名；对流变学的论文进行摘要；组织国际流变学会议等。1968年前，国际流变学会议每5年举行一次。1968年以后，每4年举行一次。第15届国际流变学会议是2008年8月在美国举行的。

1973年国际流变学委员会被接纳为国际纯粹和应用化学联合会的分支机构。1974年国际流变学专业委员会被接纳为国际理论和应用力学联合会的分支机构。

流变学的研究对象

流动的固体—流变学的研究对象之一

流动的固体，是指弹性形变与黏性流动同时存在的物体。“弹性形变”是指短暂的、能恢复原状的形变。而“黏性流动”是指持续的、不能恢复原状的形变，它也被称为“流变”。过去一般谈固体时，是指只有弹性形变的物体；谈到流体时，是指只有黏性流动的流体。实际上，同时具有这两种性质的物体是很多的。用钢棒和沥青棒作如下的实验：将钢捧放在两支点上，棒的正中间放一重物，此时钢棒弯了；当重物取走时，弯曲了的钢棒能完全恢复原状如下图a。钢棒此时是弹性形变。将沥青棒放到两支点上，如下图b那样，中间也放一重物。重物放置一段时间后取走，沥青捧稍恢复了一点，但并没恢复原状，还是弯的。这里的沥青棒，除有弹性形变外，己有了流变。如在沥青棒中间用手快速按一下，抬起手后，它能恢复原状，表现出很好的弹性。但若手按下较长时间再抬起，就己不能恢复原状。同是一根沥青捧，迅速按一下，它是弹性体；较长时间地按，又显现有流体的性质。

实际上很多物体，当外力作用的时间小于某一时间时，物体表现出弹性；当外力作用的时间大于这一时间，物体就会流变。这个时间就叫做物体的“缓和时间”。“缓和时间”是一个时间阈值，当外力作用时间超过此阈值时，物体的弹性就会“缓和”而产生流变。弹性体与流体之所以不同，也可认为只是其缓和时间不同而已。缓和时间无限长的物体，是理想的弹性体；缓和时间等于零的物体是理想的流体。具有弹性和黏性混合性质的物体，其缓和时间既不为零，也不是无穷大，它们就是可流动的固体，或者是有弹性的流体。

固体表现出流动的性质，除了外力作用时间的因素外，还有温度的因素。当温度不断升高时，大部分物体都会要流变，表现出流体的性质。

现代工业需要耐高温、耐蠕变的高质量的金属、合金、陶瓷和高强度的聚合物，因此与固体蠕变断裂有关的流变学分支会迅速发展起来。核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，也为研究幅射产生的流变打开了新的领域。

在地球科学中，人们很早就知道时间过程这一重要因素。当观察地质断面时，可以看到岩石有皱纹的褶曲结构，这是岩石在流动的证据。在几亿年的地质年代里，岩层受着横向的力而流变成褶曲形状。在江西庐山芦林桥附近，有一处“第四纪冰川遗迹”,己立碑成为向旅游者展示岩石也在流动的景点。有人曾测量计算过冰川的黏性，大约是混凝土的100万倍；而混凝土的黏性，大约是水的100亿倍。可见无论冰川是多么“黏”，多么难于流动，经过了几千年、几万年，终究还是在慢慢地向下流动着。流变学为研究上地壳中有趣的地球物理现象（如冰川期以后的上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震成因以及成矿作用等）提供了物理-数学工具。对于地球内部的过程，如岩浆活动、地幔热对流等，也可利用高温、高压岩石流变试验来模拟，从而推动了地球动力学的研究。

自然界中整个地质年代里的蠕变，岩石的流动尚在继续中

非牛顿流体—流变学的研究对象之二

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。

近几十年以来，促使非牛顿流体研究迅速发展的主要动力之一，是聚合物工业的发展。绝大多数聚合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酰、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、磁浆、油漆、油墨、牙膏、泡沫、液晶、泥石流、地幔、家蚕丝再生溶液、钻井用的洗井液和完井液、感光材料的涂液、高含沙水流等都是非牛顿流体。

在食品工业中，蛋清、炼乳、琼脂、果酱、酱油、土豆浆、番茄汁、淀粉液、苹果浆、浓菜汤、糖稀、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。

总之，在日常生活和工业生产中常遇到的各种高分子溶液、熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等复杂性质的流体，差不多都是非牛顿流体。有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，加入一些聚合物，在改进其性能的同时，也将其变成为非牛顿流体，如为提高石油产量使用的压裂液、新型润滑剂等。

现在也有人将血液、果浆、蛋清、奶油等这些非常黏稠的流体，牙膏、石油、泥浆、油漆、各种聚合物（聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等）溶液等非牛顿流体，称为软物质。非牛顿流体有许多奇妙的特性，如射流胀大、无管虹吸、剪切变稀、拔丝、湍流减阻等，其中有一个使人感兴趣的特性，就是部分非牛顿流体具有弹性，亦称为黏弹性流体。当旋转杆插入黏弹性流体时，流体将沿杆向上爬，液面呈凸形。

中国的流变学研究

中国最早从事流变学研究工作的可能是地质力学家。第一本翻译成中文的流变学书籍，是雷纳的《理论流变学讲义》，是由中国科学院岩体土力学研究所的6位研究人员于1965年合译出版的。

1978年制定全国力学发展规划时，认为流变学是必须重视和加强的薄弱领域。

国内流变会议

1985年中国力学学会与中国化学会联合成立了流变学专业委员会，并在湖南长沙召开了第一届全国流变学学术会议。经中国科学技术协会批准，中国流变学专业委员会对外称为“中国流变学会”，第一届的主任委员是北京大学教授、英藉华人科学家陈文芳。第一届全国流变学会议有来自高等院校、研究和生产部门的178位代表参加，提交了125篇研究论文。会后由学术期刊出版社出版了《流变学进展─中国化学会、中国力学学会第一届全国流变学会议论文集》，收入115篇论文，按内容分别列为专题评论、非牛顿流体力学、聚合物熔体、聚合物溶液、黏弹性和固体力学、分散体系、生物医学物质、聚合物加工、流变测量法等9章，反映了当时中国流变学研究的状况。

1987年在成都召开了第二届全国流变学会议，并开始使用中国流变学会的会徽。

1990年在上海，1993年在广州，1996年在北京，1999年在武汉，2002年在廊坊，2006年在济南，2008年在长沙，分别召开了第3至9届全国流变学会议，每届会议均正式出版了会议论文集。

1995年在上海、1997年在西安、2000年在合肥召开的电-磁流变学全国会议。

国内召开的国际流变会议

1991年10月,在北京还召开了“中日国际流变学学术会议”。

1997年9月,受国际理论与应用力学联合会（IUTAM）委托，在北京召开了“带缺陷物体流变学科学研讨会”。

2005年,在上海召开了第四届泛太平洋地区国际流变学学术会议（PRCR4）。这三次国际会议也都出版了论文集。

从这段流变学产生的简史可以看出，流变学从一开始就是由于工程实际的需要，从连续介质力学和胶体化学的边缘上生长出来的新兴交叉学科，它不但从一开始就沟通了力学和化学这两个一级学科，而且在力学中也沟通了流体力学和固体力学这两个二级学科。

流变学是沟通流体力学和固体力学的学科

反映物质或材料物理性质之间的关系式，统称为本构方程（或本构关系或状态方程）。在固体力学中，本构方程一般专指应力张量与应变张量之间的关系。在流体力学中，本构方程是指应力张量与应变率张量之间的关系。

固体流变学

对于固体，人们已认识到同时体现弹性形变和黏性流变的材料，是黏弹性材料。材料的黏弹性又可分为线性和非线性两大类。若材料兼有塑性和黏性的性质，则称为黏塑性材料，对于聚合物和一定条件下的金属往往需要考虑其黏塑性。当应力达到一定值时，黏弹性材料呈塑性变形，或物体在弹性变形过程和塑性阶段均具有黏性效应，则称这种材料为黏弹塑性材料。许多作者己在研究工作中讨论和使用黏弹性、黏塑性和黏弹塑性的本构方程，这实际上己突破经典的固体力学本构关系，进入了固体流变学的领域。

在固体力学研究中，因要深入研究材料的破坏机理，还要类似流体力学，对固体材料考虑应变率，研究其动力学过程。

流体流变学

流体力学的研究内容，在20世纪中期之后已有了很大的转变。在石油、化工、能源、材料、生物工程和环保等领域所遇到的流体，已常是非牛顿流体。由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、效率和产品质量，也涉及人本身的生活和健康，所以越来越受到力学工作者的重视。

流变学是力学在20世纪与化学、物理、工程科学交叉发展的新兴学科。中国许多力学工作者的工作实际上己涉足流变学的研究领域，但由对流变学缺乏了解，而又未意识到，因此也就未能从与工程科学密切联系又正蓬勃发展的流变学中吸取营养。力学发展的关键之一，在于与各个学科及工程领域相结合，流变学正是这样一个有生命力的重要研究领域。[参考文献] 1.王 振 东,1999年11月在武汉华中科技大学召开的第六届全国流变学学术会议上的大会报告，后发表于《力学与实践》2001年23卷4期

2.中国流变网论坛

第二篇：科普作文：非牛顿流体

科普作文：非牛顿流体

非牛顿流体

了一种神奇的液体，这令我又惊讶有开心。

这种液体叫“非牛顿流体”，这种液体是由淀粉，水，硬质小球，两容器，一表面光滑的长棍，一中空导管，还有一碟一碗一杯一筷子所制造出来的。非牛顿流体力学是由流变学发展起来的研究非牛顿流体应力和应变的关系和非牛顿流体流动问题的分支学科。非牛顿流体是剪应力和剪切变形速率之间不满足线性关系的流体。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。

简单来说，如果对它的压力大，就会立刻变成固体；你对它的压力小，就会变成液体。我们通过一个实验来证明我陈述的：把 一根棒球棍立在一个装满非牛顿流体的池子里，要把棒球棍拿起来必须轻轻地拿，否则的话就会像爬山虎一样缠着棒球棍。

另一个实验是保护鸡蛋。把非牛顿流体装在一个袋子里，里面再装一个鸡蛋，然后从一个四米高的高台上扔到地上，鸡蛋竟然没有碎，这是为什么呢？因为从地上扔下来的那一霎那，非牛顿流体变成固体，由此保护着鸡蛋，神奇吧！

第三篇：非牛顿流体及其奇妙特性

非牛顿流体及其奇妙特性

王 振 东

现在去医院作血液测试的项目之一，己不再是“血黏度检查”，而是“血液流变学捡查”（简称血流变），为什么会有这样的变化呢？这就要从非牛顿流体谈起。

斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性及流体静止时应变率为零的三项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程，以及被广泛应用的纳维-斯托克斯方程（简称：纳斯方程）。

后来人们在进一步的研究中知道，牛顿黏性实验定律（以及在此基础上建立的纳斯方程），对于描述像水和空气这样低分子量的简单流体是适合的，而对描述具有高分子量的流体就不合适了，那时剪应力与剪切应变率之间己不再满足线性关系。

为区别起见，人们将剪应力与剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间己不再是线性关系，己无法只测一个点，给出斜率（即黏度）来说明血液的力学特性，只好作血流变学测试，测三个点，给出剪应力与剪切应变率之间的非线性曲线关系。

形形色色的非牛顿流体

早在人类出现之前，非牛顿流体就己存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上的血液、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。

近几十年来，促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一，是聚合物工业的发展。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。

非牛顿流体在食品工业中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、苹果浆、菜汤、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。

综上所述，在日常生活和工业生产中，常遇到的各种高分子溶液、熔体、膏体、凝胶、交联体系、悬浮体系等复杂性质的流体，差不多都是非牛顿流体。有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，加入一些聚合物，在改进其性能的同时，也将其变成为非牛顿流体，如为提高石油产量使用的压裂液、新型润滑剂等。

现在也有人将血液、果浆、蛋清、奶油等这些非常黏稠的液体，牙膏、石油、泥浆、油漆、各种聚合物（聚乙烯、尼龙、涤纶、橡胶等）溶液等非牛顿流体，称为软物质。

非牛顿流体的奇妙特性及应用

射流胀大

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。

这种射流胀大现象，也叫Barus效应，或Merrington效应。

奶酪生产情景：奶酪从管中流出后马上胀大

爬杆效应

1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院，公开表演了一个有趣的实验：在一只盛有黏弹性流体（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。

爬杆效应也称为Weissenberg效应。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。

爬杆效应实验：左为牛顿流体，右为黏弹性流体

无管虹吸

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。

无管缸吸：对于化纤生产有重要意义

湍流减阻

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。

湍流减阻

减阻效应也称为Toms效应，虽然其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。

湍流减阻：在同样动力下两幅消防水龙头喷水图 上图为未添加聚乙烯氧化物的情形 下图为添加聚乙烯氧化物后的情形

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。

由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、效率和产品质量，也涉及人本身的生活和健康，所以越来越受到科学工作者的重视。1996年8月在日本京都国际会议中心，召开的第19届国际理论与应用力学大会（IUTAM）上，非牛顿流体流动是大会的6个重点主题之一，也是流体力学方面参与最踊跃的主题。Grochet邀请报告的观点是，高分子溶液和熔体的特性远异于牛顿流体，并认为对这些异常特性的研究，都是带有挑战性的课题。

（原刊登于《力学与实践》1998年20卷1期）

第四篇：力学话趣-奇妙的非牛顿流体

本文首刊于《力学与实践》1998, 20(1): 72-74

奇妙的非牛顿流体

王振东

(天津大学力学系，天津 300072)

牛顿1687年发表了以水为工作介质的一维剪切流动的实验结果。实验是在两平行平板间充满水时进行的(图1)，下平板固定不动，上平板在其自身平面内以等速U向右运动。此时附于上下平板的流体质点的速度分别为U和0，两平板间的速度呈线性分布。由此得到了著 名的牛顿粘性定律

式中，τ是作用在上平板流体平面上的剪应力，du/dy是剪切应变率，斜率μ是粘度系数。

斯托克斯1845年在牛顿这一实验定律的基础上，作了应力张量是应变率张量的线性函数、流体各向同性、流体静止时应变率为零的三

项假设，从而导出了广泛应用于流体力学研究的线性本构方程，以及现被广泛应用的纳维－斯托克斯方程。

后来人们在进一步的研究中知道，牛顿粘性实验定律(以及在此基础上建立的纳－斯方程)对于描述像水和空气这样低分子量的流体

是适合的，而对描述具有高分子量的流体就不合适了，那时剪应力与剪切应变率之间已不再满足线性关系。为区别起见，人们将剪应力与

剪切应变率之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。形形色色的非牛顿流体

早在人类出现之前，非牛顿流体就已存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体[1]。人身上的血液、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。现在去医院作血液测试的项目之一，已不再说是“血粘度检查”，而是

“血液流变学检查”(简称血流变)，这就是因为对血液而言，剪应力与剪切应变率之间不再是线性关系，已无法只给出一个斜率(即粘度)来说明血液的力学特性。

近几十年来，促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一是聚合物工业的发展。聚乙烯，聚丙烯酰氨，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。

非牛顿流体在食品工业中也很普遍[2]，如番茄汁，淀粉液，蛋清，苹果浆，菜汤，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。

综上所述，在日常生活和工业生产中常遇到的各种高分子溶液，熔体，膏体，凝胶，交联体系，悬浮体系等复杂性质的流体，差不多

都是非牛顿流体。有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，需加入一些聚合物，在改进其性能的同时也将变成为非牛顿流体，如为 提高石油产量使用的压裂液，新型润滑剂等。非牛顿流体的奇妙特性及应用

2.1 射流胀大

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（图2）。射流直径与毛

细管直径之比称为模片胀大率（亦称为挤出物胀大比）。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，在 管截面的长边中央胀得最大（图3）。因此，如果要求产品的截面是矩形的，口模的形状就不能是矩形，而必须是像图4所示的那种形状。

这种射流胀大现象也叫Barus效应或Merrington效应。

2.2 爬杆效应

1944年Weissenberg在英国伦敦帝国学院公开表演了一个有趣的实验。在一只有粘弹性流体（非牛顿流体的一种）的烧杯里，旋转实

验杆。对于牛顿流体，由于离心力验的作用，液面将呈凹形（图5(a))；而对于粘弹性流体，却向杯中心运动，并沿杆向上爬，液面变成凸形

(图5(b))。甚至在实验杆的旋转速度很低时，也可以观察到这一现象。

爬杆效应也称为Weissenberg效应。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。

2.3 无管虹吸

对牛顿流体来说，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1%POX水溶

液，或聚醣在水中的轻微凝胶体系等很容易表演无管虹吸实验。将管子慢慢地从容器里拔起时，可以看到虽然管子已不再插在流体里，流

体仍源源不断地从杯中抽起，继续流进管里（图6）。甚至更简单地，连虹吸管都不要，将装满该流体的烧杯微倾，使流体流下，这过程一

旦开始，就不会中止，直到杯中流体都流光（图7）。这种无管虹吸的特性是合成纤维具备可纺性的基础。

2.4 湍流减阻

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的聚合物，则在给定的速率下，可以看到显

著的压差降。图8给出了两种不同浓度的聚乙烯的氧化物溶液的管摩擦系数f对于雷诺数R的关系曲线。湍流一直是困扰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。

减阻效应也称为Toms效应，虽然道理并未弄得很清楚，但已有不错的应用。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变气蚀发生过程及其破坏作用。

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，如连滴效应(其自由射流形成的小滴之间有液流小杆

相连)，拔丝性(能拉伸成极细的细丝，可见笔者另一文“春蚕到死丝方尽”[3])，剪切变稀，液流反弹等，有兴趣的读者可从有关文献进一步 了解[4]。

由于非牛顿流体涉及许多工业生产部门的工艺、设备、效率和产品质量，也涉及人本身的生活和健康，所以越来越受到科学工作者的重视。1996年8月在日本京都国际会议中心召开的第19届国际理论与应用力学大会(IUTAM)上，非牛顿流体流动是大会的6个重点主题之一，也是流体力学方面参与最踊跃的主题[5]。Crochet邀请报告的观点正是高分子溶液和熔体的特性远异于牛顿流，并认为这些异常特性的研究都是带有挑战性的课题。

参考文献 莱顿.生物系统的流体动性.北京：科学出版社，1980 陈克复等.食品流变学及其测量.北京：轻工业出版社，1989 王振东.春蚕到死丝方尽——谈液体的拉丝现象.力学与实践，1994，16(1)：75～77 陈文芳.非牛顿流体力学.北京：科学出版社，1984 王仁，何友声等.第19届国际理论与应用力学大会(IUTAM)情况 介绍.力学与实践，1997，19(1)：57～64

第五篇：15电磁在非牛顿流体中的应用

15电磁流量计在非牛顿流体流量测量中的应用

流量计确定一次装置精确度的方法是建立在参考流动条件基础上的。但是，不同工作原理的流量计对参考流动条件的敏感程度是不同的，有的甚至相差甚远。参考流动条件中所规定的具有充分发展的层流或紊流的速度分布和牛顿流体与我们要讨论的问题相关。

“由牛顿流体所形成的速度分布是所有流量计（编注：本文主要指速度式流量计和标准节流装置等）的基本参比状况，各种修正都是根据这个速度分布进行的。为确定非牛顿流体对流量计的影响，需要在实验室进行专门的测试。由于非牛顿流体的种类繁多，目前这方面已公布的数据甚少。”在许多应用的场合下，有许多非牛顿流体处于层流状态，其速度分布与牛顿流体不同，它们偏离了牛顿流体层流速度分布的情况，其速度分布是难于预报的，但已知其分布是对称的，而达到这种速度分布所需的直管段长度通常仅为牛顿流体所需长度的1/3到1/2。[10] 封闭管道中使用的电磁流量计是通过测量流体的面平均流速进而算出流量的速度式流量计，但它与其它速度式流量计不同的是，电磁流量计具有可以测量非牛顿流体，并且无须进行雷诺数、压力、温度、黏度和密度修正的显著特点，这与其输出信号的特性有关。

在日本1979年出版的《流量测量手册》[11] 一书中说：“电磁流量计检测电极所产生的感应电动势与平均流速成正比，因此，无论管路内的流动为层流也好，或因雷诺数的变化而变为紊流也好，只要流速分布与管轴对称，一般也会感应出与平均流速成正比的电动势，但 是，必须注意一般在弯管和阀门的前后的流动，由于流速分布变乱，不会出现上述情况。”当时的电磁流量计虽然可以做到从层流到紊流的测量，无须进行雷诺数修正，但要求流速分布必须是与管轴对称的。

在美国1983年出版的《流量测量工程手册》[10]一书中也有类似的表述：“至今，几乎还没有在层流状态下非牛顿流体流量测量的资料。除了用文丘利管测量泥浆和污水的流量或不需要进行雷诺数校正的场合，在许多情况下是采用电磁流量计，这主要是由于它的输出基本上是反映速度分布的平均值。”也就是说，电磁流量计可以测量层流状态下的非牛顿流体。

随着电子技术和计算机技术的快速发展，加速了电磁流量计技术的发展。20世纪90年代以后，励磁方式的不断改进代表着电磁流量计技术的不断进步。与早期的工频励磁相比，低频矩形波励磁，双频励磁，可编程控制励磁等新的励磁方式的电磁流量计，提高了传感器输出流量信号的信噪比，降低并稳定了仪表的零点。转换器应用先进的集成运算放大器大幅度降低了器件的噪声。采用数字的处理方法，较模拟电路的转换器能使电磁流量计的测量精确度大幅度提高。感应信号的权重函数理论的研究，一定程度地改善了管道内流速分布非轴对称性对流量准确测量的影响。因此，现代的电磁流量计才有可能达到±0.5%,甚至±0.2%的测量精确度，而且适用范围更宽。[13] 非牛顿流体的种类繁多，目前，我们比较熟悉的有据可查的常用电磁流量计测量的非牛顿流体有纸浆、矿浆、水煤浆、钻井用泥浆等[10]（P166），我们习惯上称其为浆液，而把适用于测量浆液流量的 电磁流量计称为浆液型电磁流量计。这里需要说明的是，电磁流量计在这些行业并非全部用于浆液流量的测量，但测量浆液流量占有重要地位。下面我们将分别讨论电磁流量计在造纸、氧化铝和甲醇行业的应用。

15．1电磁流量计在造纸行业的应用

造纸行业已成为继汽车、电子之后的第三大支柱产业。据悉，在从国外引进的成套造纸设备中，对液体流量的测量大多采用了电磁流量计。国内的大中型造纸企业也已逐步完成了用电磁流量计替代传统的差压式流量计的更新过程，并积累了一定的实用经验，且不断对仪表提出新的使用要求。造纸行业对电磁流量计的需用量相当大，以年产量为35万吨的造纸厂为例，其电磁流量计的使用量可达到400台左右。另外，作为国策，严格环保法治势在必行，造纸企业全面污水处理也需要一定数量的电磁流量计。以下是具体使用情况。

图15.1是造纸生产流程图。

图15.1 1).备料制浆车间工艺流程

备料制浆过程需用电磁流量计大约在50～60台。口径根据工艺管道而定。

该车间的任务是把各种不同的原料分别制成浆料。电磁流量计在制浆过程中主要是测量水、碱、酸和打磨浆的流量。经过机械打或磨的浆料的温度一般可达80℃。备料制浆过程根据所用材料可分为如下两类：

(1).用木材或草料（如稻草、芦苇、麦秸等）制浆: 制奖前要先将木草料进行蒸煮。蒸煮液由水和碱[氢氧化钙Ca(OH)2或氢氧化钠NaOH]配制而成，呈碱性。所以，这里对碱和蒸煮后的打磨浆进行流量测量的电磁流量计应选用分体型结构；衬里多选用耐高温和腐蚀的聚四氟乙烯[PTFE（F4）]或其它氟塑料（资料显示，造纸行业使用的电磁流量计，85%以上选用的是F4衬里，效果满意）；电极应选用耐腐蚀性强的哈氏合金C（Hc）或钛（Ti）等，切记不可选用钽电极，因为钽在碱中不耐腐蚀。测量酸性浆液要求不高时，电极材料可选耐酸钢316SS。

(2).用废纸制浆: 将废纸打成浆后要进行洗涤漂白处理。当电磁流量计用于打浆后的加水流量测量时，大多用稍加处理的附近的江河水，虽水质较差，但无腐蚀性，可采用常规的橡胶衬里和不锈钢电极（如316SS）。而用于脱墨剂流量测量时，由于常用的脱墨剂有氢氧化钠（NaOH）、硅酸钠（Na2SIO3）、过氧化钠（Na2O2）或过氧化氢（即双氧水）（H2O2），比较复杂，所以对电磁流量计衬里和电极材料的选用要慎重。衬里一 般都可选用F4或PFA；电极可参考以下文献：《电磁流量计》[14]一书中推荐，测量过氧化钠时，选用Hc较合理；上海横河电机有限公司2004年4月《电磁流量计选型设计资料》介绍，测量硅酸钠（100%）时，选用钽较合理；测量过氧化氢（50%）时，选用钽或钛较适合；测量氢氧化钠时选用Hc。由于介质种类繁多，其腐蚀性又受温度、浓度、流速等复杂因素影响而变化，故以上对衬里和电极的选择仅供参考。用户应根据实际情况自己做出选择，必要时应做拟选材料的耐腐试验。

2).筛选漂白车间（即抄纸车间）工艺流程

筛选（即抄纸）和洗涤（即漂白）这两个工段是造纸厂使用电磁流量计最多的，本例可达250台左右。在浆液配比过程中的适用口径一般为DN50～DN15 该工艺流程可分为两部分:(1).配浆过程: 电磁流量计用于测量从各备料制浆车间流入抄纸车间各浆池和从各浆池流入配浆池的每个流量测量点的浆料的流量。此例共有以下五种浆料参与配浆过程：

A.化浆—由传统“化浆生产线”生产的纸浆； B.脱墨浆—由废纸脱墨工艺生产的纸浆;C.CTMP浆—用化学热磨法生产的纸浆； D.机浆— E.损液奖—

这里，CTMP浆和机浆的温度高达50-80℃，衬里材料可选用F4或 PFA。

各生产厂家为得到不同质量的纸张，在浆液配比过程中采用不同的浆液配比浓度，但往往由于一种浆料的细微超差而导致成品不合格,从而造成经济损失。所以各生产厂对这一环节都非常重视，在每一根参加配比的管道中都装有电磁流量计测量流入配浆总管的瞬时和总量流量，同时还在配浆管的下端装有在线浓度计，以检测配浆效果。若一旦发现预定的浓度有偏差，就立即调节阀门的开度以调整相应的浆料流量。这里不仅要求电磁流量计精确度高，同时要求具有良好的重复性和动态响应性能。

(2).筛选过程: 在配浆后的筛选（习惯称抄纸）过程中，纸浆浓度常影响流量测量。经验表明，当浓度大于3%的纸浆用低频方波励磁频率（如25Hz）或双频励磁，可以改善测量输出的抖动现象。以DN300的电磁流量计测量浓度大于3.5%的瓦楞板纸为例,用常规的1/32工频(约为1.56Hz,1工频为50Hz)时，瞬时流量显示的抖动量高达10.7%;当选用频率可调的电磁流量计时,将其励磁频率改为1/2工频(即25Hz)时,跳动量减少到1.9%，效果相当明显。目前的“双频励磁方式是日本横河电机公司研究开发的一种高、低频矩形波调制波的励磁方式。所采用的励磁频率为：低频是6.25Hz，它有助于提高零点的稳定性；高频是75Hz，高频励磁大幅度降低了浆液对电极产生的极化电压（测 量固、液双相的浆液流体时，固体擦过电极表面所产生的浆液噪声，即一种直流极化电压），减弱了测量输出的抖动，提高了测量的响应速度。因此，双频励磁既有稳定的零点和高精度的测量的优点，又有很强的抗“浆液噪声”能力，反应速度快等优点，是低频矩形波励磁和高频励磁的结合。”

“双频励磁传感器存在一个低频系数和一个高频系数两个仪表系数，因此，转换器调整时，求得两个系数相对于一个仪表系数要麻烦一些。”“从上面的叙述可以看到，励磁方式的研究对于电磁流量计的应用与发展显得非常重要。随着技术的进步，也许不久的将来还会有更先进、更完美的励磁方式出现。”[ ] 在抄纸工序，由于配浆、抄纸过程中需要对冷却水、明矾和化石粉等添加剂，须作流量控制监测，因此，是造纸厂中使用电磁流量计数量最多的，本例用量约达200台左右。

为保证纸张的白度均匀细致，要添加不同的添加剂、分散剂和漂白剂。这些添液的流量小，腐蚀性强，所以衬里基本上都选用F4或PFA。由于造纸厂常用氧化性强的双氧水作漂白剂，而双氧水对金属材料的腐蚀性特别强，出于防腐考虑，往往选用铂铱合金（Pt）为电极材料，但实用情况表明，当过程压力小于0.3MPa（3公斤）时，Pt电极会同双痒水发生反应，而在电极表面形成一层气雾，称之为触媒反应。这时输出信号会产生很大波动。但选用钽（Ta）电极就没有上述问题。如果换用NaOH（碱）做漂白剂，就不能选用钽电极，因为碱液会使钽电极产生表面效应。实验数据表明，即使钽电极在测量一 般的水时，其零点的波动也要超过其它电极数十倍。

小口径电磁流量计安装时要特别注意同心度。本例中采用小口径DN10的电磁流量计测量上述添加剂，均能获得较理想的效果。在国外的造纸生产线上，这些场合也有部分选用科里奥利质量流量计的。

总之，电磁流量计在造纸行业的液体流量测量中占主导地位，衬里普遍选用F4，电极则根据液体性质而定。绝大多数的使用问题出现在初期的选型和安装不当。如电极或衬里材料选择失误；流体不满管；直管段长度不足；安装时传感器与管道（特别是小管道）的不同心度或密封垫圈进入流场等。这些问题常常是电磁流量计未能正常运行的主要因素。

15.2电磁流量计在氧化铝行业的应用

氧化铝的用途很广，如牙膏、医药、陶瓷、各种铝合金铝型材等。我国是产铝大国，具有大规模的氧化铝生产企业和基地。目前，氧化铝行业已成为国民经济生产总植（GTP）中发展最快的行业之一。但随着我国工业和城乡建设的快速发展，国产氧化铝仍供不应求，目前，国内需求量的30%需要进口，这给国内氧化铝生产行业的发展留下了相当大的空间。近年来，我国新建的氧化铝生产企业和扩建的氧化铝生产线如雨后春笋。现知，仅山东的新建企业就有滨州的魏桥铝电，设计生产能力为1000万吨/年（分五期完成），现已完成一、二期共400万吨/年的产能；聊城的信发华宇已建成240万/吨的产能，又在广西建了一个新厂；龙口南山集团。改扩建项目如：中国铝业中州分公司投资12.92亿元的30万吨/年选矿拜尔法高新技术产业化示 范工程、山东分公司的60万吨/年拜尔法改扩建工程。又如，中铝河南分公司总投资十亿元，采用国际先进的“选矿拜而法生产氧化铝新工艺”项目等。

氧化铝行业不但是一个高耗能、高污染、高产出的行业，而且流程长，工序多。因此，在配料监控、节能降耗、治污减排、回收循环利用等各个环节，都需要使用大量的流量计。其中，电磁流量计约占其中的50%左右。下面讨论电磁流量计在氧化铝行业的应用，特别是在浆液流量测量方面的选型和使用。

目前，氧化铝的生产方法有三种：拜尔法、烧结法和混联法。其中，混联法是前两种方法的混联。所以，这里仅介绍电磁流量计在拜尔法和烧结法中的应用。

1).拜尔法