非牛顿流体流动.ppt

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1、第八章非牛顿流体流动§1非牛顿流体的流变特性§2拟塑性流体在圆管中的层流运动§3宾汉流体在圆管中的层流运动§4粘弹性流体在圆管中的不稳定层流运动§5拟塑性流体在环空中的层流运动§6非牛顿流体在圆管中的湍流运动§1非牛顿流体的流变特性任何流动问题的数学描述都建立在力学的一般性原理基础上。这些原理都可以用平衡方程来描述。流体对机械作用的响应不仅依据于这些守恒律，而且取决于该种流体的特性，这种响应称之为物质的应力应变关系（或以流变曲线的形式给出），而这种应力应变关系称之为流体的本构方程或流变模式。尽管物质系统都遵守质量守恒方程、动量守恒方程和能

2、量守恒方程，但现实的问题是守恒方程的数目常少于未知数数目。严格意义上，一种特定的本构方程只适用于一种假设的模型化的流体。因此本构关系的建立相当于定义一种假设的流体模型，即用一种近似的方法描述某一特定流体的流变行为。§1非牛顿流体的流变特性图9.1流体的流变曲线对比1.纯粘性非牛顿流体在双对数坐标系中，拟塑性非牛顿流体的流动曲线斜率小于1，表观粘度随剪切速率增加而减小；胀塑性非牛顿流体的流动曲线斜率大于1，表观粘度随剪切速率增加而增大。没有一种具有简单形式的本构方程足以描述不同的拟塑性非牛顿流体。在石油工程中被广泛应用的在双对数坐标系中流动

3、曲线为一直线的幂律方程仅适用于有限的剪切速率范围，其经验表达式为:稠度系数、流动指数两个系数均与温度有关。§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体§1非牛顿流体的流变特性图9.2原油的稠度系数和流动指数随温度的变化规律无时间依存性的非牛顿流体。试确定该流体的流变参数。§1非牛顿流体的流变特性〖例9-1〗有一属于假塑性流体的钻井液，用旋转粘度计测得的流变性实验数据如下：当剪切速率时，；，〖解〗假塑性流体的流变方程可写为两边取自然对数可得例题带入已知数据在柱坐标系中，幂律流体本构关系的一种更为精确的表达式为：显然其表观粘度：在被验证的

4、范围内，幂律关系式和实验数据吻合的很好，但在剪切速率非常低和非常高时，关系式的精度下降。拟塑性非牛顿流体的流动指数总是小于1，大多数原油、细黏土悬浮液、部分钻井液和清洗液均呈现拟塑性非牛顿流体流动特性。§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体宾汉塑性流体是指在剪切速率超过一有限值后才流动，并且随后其应力应变关系呈现线性关系的一类非牛顿流体。石蜡、沥青、某些钻井液、漂浮在空中的灰尘悬浮液和下水道中排放的污液都属于宾汉流体。宾汉流体的本构方程为:幂律关系式同样也可以用于描述胀塑性非牛顿流体，只要选择不同的稠度系数和流动指数。胀塑性非牛

5、顿流体的流动指数总是大于1。不规则形状固体颗粒悬浮于液体的稠流体就属于这种流体，其胀塑性随浓度迅速变化，浓度低时可能呈现拟塑性流动特性，浓度高时其可能呈现胀塑性非牛顿流体流动特性。2.粘塑性非牛顿流体§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体图9.3不同浓度条件下宾汉型钻井液的流动曲线§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体另有三个模型综合了宾汉模型和幂律模型，反映了低剪切速率下流体介于宾汉模型和幂律模型之间的特性：卡森模型，赫谢尔－巴克利（Herschel-Bulkley）模型和罗伯逊－史蒂夫（Robertson-Stif

6、f）模型。卡森模型是两参数模型，在油漆、涂料、塑料等领域有所应用，在钻井液中应用较少，其本构方程为：§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体在石油工程领域，大部分钻井液和某些原油为带屈服值的拟塑性非牛顿流体，即赫谢尔－巴克利（Herschel-Bulkley）流体，其特点是与宾汉流体一样具有屈服值，但当应力超过屈服值时其应力应变关系是非线性的。带屈服值的拟塑性非牛顿流体的本构方程为:§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体不论是牛顿流体、拟塑性非牛顿流体，还是胀塑性非牛顿流体，它们对剪切应力的响应都是瞬时的，流变行为受系统

7、结构影响，平衡结构依赖于剪切速率。剪切速率改变，平衡结构无滞后地随之变化，因此称这种结构的变化为瞬时的、可逆的变化。罗伯逊－史蒂夫（Robertson-Stiff）模型和赫谢尔－巴克利（Herschel-Bulkley）模型同属三参数模型。罗伯逊－史蒂夫（Robertson-Stiff）模型将剪切力作为一个参数，其本构方程为：§1非牛顿流体的流变特性无时间依存性的非牛顿流体1.触变性非牛顿流体另一类广泛存在的依时性非牛顿流体的流变特性对剪切速率变化的响应是滞后的，由于流体结构的变化极其缓慢，因此其变化过程不可逆。某些钻井液和原油就属于这类

8、依时性非牛顿流体。如果在剪切速率恒定条件下，剪切应力随剪切过程的进行而衰减，那么我们称这种流体为触变性非牛顿流体。§1非牛顿流体的流变特性有时间依存性的非牛顿流体稳定的剪切应力值与剪切速率的关