非牛顿流体力学 非牛顿流体游戏演示

湖南卫视《快乐大本营》20100605期有一个非常有趣的游戏其原理是关于非牛顿流体，什么是非牛顿流体?非牛顿流体游戏演示视频。

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。

非牛顿流体可以分为三类，即非时变性非牛顿流体、时变性非牛顿流体、粘弹性流体
(1)非时变性非牛顿流体：流体的表观粘度只与剪应变率(或剪应力)有关，与剪切作用持续时间无关。

(2)时变性非牛顿流体：流体的表观粘度不仅与剪应变率(或剪应力)有关，而且与剪切作用持续时间有关。

(3)粘弹性流体：兼有粘性和弹性双重性质。

自然界中存在着大量非牛顿流体，例如油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液、泥浆等。非牛顿流体力学在化学纤维工业、塑料工业、石油工业、化学工业、轻工业、食品工业等许多部门有广泛的应用。石油，泥浆，水煤浆，陶瓷浆，纸浆，油漆，油墨，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，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。

趣味物理实验：非牛顿流体

非牛顿流体的奇妙特性及应用
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。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。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. 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;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。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。

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。这种无管虹吸的特性是合成纤维具备可纺性的基础。

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。