第3章节线性粘性流动.ppt

第三章. 线性粘性流动 一般来讲,要研究流动行为需要测量以下基本物理量. 剪切应力, 剪切速率, 时间 流动曲线的定义: 一般是剪切应力与剪切速率的关系图, 3-1 稳定的简单剪切流动 一、线性粘性流体被称为牛顿流体. 1687年,牛顿首先提出过一个假设,认为流动的阻力正比于两部份流体相对流动的速度.进一步的理论深化为 剪切应力与剪切速率成正比.剪切粘度为一恒量.前提是在一定的温度和压力下. 稳定的简单剪切流动模式: 这种流动可看作是发生在处于两块平行板之间的流体之中的.一块板静止,一块板以V的速度运动.模式如下图: 在Y=0处,速度为0,在Y=H处,速度与上板的移度速度相等. 考虑层流情况下流体中两个相距dr的液体平行层面以相对速度dv移动，上液层比下液层的速度大dv，速度梯度方向平行于y轴方向，剪切变形用符号 γ表示 在下液层以速度V=dx/dt 沿x方向流动，而在上流层以v+dv速度移动 γ=dx/dr γ对时间的导数即剪切速率** **=d*/dt=d/dt(dx/dr)=d/dr(dx/dt)=dv/dr(s-1) 即剪切速率即速度梯度。 剪切应力τ，即垂直于y轴的单位面积液层上所受的力，表示为 τ=F/A 单位 达因/cm2 3-2 牛顿定律 液体流动时，受到的剪切应力越大，产生的剪切速率越大，对低分子来说，τ与γ成正比，即 τ=η*γ，此式称牛顿流动定律，比例常数η为牛顿粘度，单位为泊, 泊=达因-秒/cm2, 是物料的一种基本特性，依赖于物料的分子结构和温度，而不依赖于剪切应力和剪切速率。 3-3 线性粘性变形的特点 假定在流体试样上瞬时施加一个应力,然后保持不变,再在某时刻移除应力.分析剪切应力及应变随时间的变化. 1.变形的时间依赖性 在线性粘性流动中,达到稳定后,剪切速率不变,可以看出,变形随时间发展的.即时间依赖性. 2.流体变形的不可回复性 这是粘性变形的特点,其变形是不可回复,永久变形.聚合物的熔全发生流动,涉及到分子链之间的相对移动. 3.能量损失.外力对流体所作的功在流动过程中转为热能而散失.这与弹性变形过程中的贮能恰恰相反. 4.正比性 应力与应变速率成比. 3.4 流动方式 1.圆管中流体的稳定层流(管式流动)(测定流体通过一根细管流动的流量来测定流体的粘度) 用柱坐标表示.分三个量.z表示流动方向,γ为速度梯度方向,θ为等同方向.在剪切流动中,这三个方向是相互垂直,在拉伸流动中,前两个方向是相互同行. 液体主体的流动是按许多彼此平行的流层进行的，,同一流层之间的各点速度彼此相同，但是各层之间的速度不一定相等，而且各层之间也无任何的骚扰。 我们现在来讨论离轴r的一层圆柱状流体,在其外表面的流体对其施加的剪切应力为trz,此时它的层流方程如下所示: 速度梯度\流速\流量(单位时间流过的体积) 3.4.2 同心圆筒流动（旋转粘度计） 这种流动发生在两个同心的圆筒间(理想条件为:流体为牛顿型,内圆筒固定,外圆筒以角速度Ω旋转),环形部分内的流体任一质点仅围绕着内外管的轴以角速度作圆周运动.所有这种流动只有圆周的运动,没有Z或r方向的流动. 其流动方程为: 从最后的粘度公式可以看出,利用此原理的粘度计,测得实验过程中的外筒角速度及内圆筒上的转矩即可求得粘度. 有两处特例: 3.4.3 锥板流动(圆锥平板粘度计 ） 流动发生在一个圆锥体与一个圆盘之间.圆锥与平面之间的平角为α,一般很小.圆锥体通常以一定角速度旋转.圆锥体的顶点与平板面接触. 流动速度ω是流动方向θ的函数,这与前两者所讲不同.ω= ω(θ),则剪切速率,即速度梯度可以表示为 在锥面,θ=90°-α,ω=Ω 在平板表面, θ= 90°, ω=0 一般情况下,在讨论简单剪切流动时,剪切速率考虑为常数. 所以其流动方程表达式为 3.4.4 扭转流动 扭转流动发生在两个平行的圆盘之间,上圆盘以一定的角速度旋转,施加的扭矩为M. 只有圆周运动.但速度梯度方向有Z向.(同一高度,角速度相同,但速度不同) 解释两条曲线3.13及3.14.为什么不同r处的剪切速率不同呢 3.4.5 狭缝流动 流体在长为l,高度为h,宽度为w的狭缝中流动.流动方式其时为稳定的简单剪切流动.以直角坐标表示.(此提醒学生注意简单剪切的实例,复习) 3.5 粘度的测定 根据上节所讨论的流动方式,讲述三类粘度计的工作原理.毛细管粘度计,旋转粘度计和落球粘度计.(讲述一下粘度的测定与流变测定的区别) 1.毛细管粘度计 A.重力粘度计. C1是毛细管的几何尺寸常数.