第四章-化工流变学基础.pptVIP

一） 非依时性非牛顿流体 非依时性：在恒定温度下，粘度仅随剪切速率或剪切应力而变化，与受剪切作用的时间长短无关，可分为： 1）假塑性流体； 2）胀塑性流体； 3）宾汉流体； 4）屈服-假塑性流体； 5）屈服-胀塑性流体。 1）假塑性流体和胀塑性流体 符合以下规律： 2）宾汉流体、屈服-假塑性流体和屈服-胀塑性流体 τy为屈服应力； n=1,宾汉流体； n1,屈服-假塑性流体；n1,屈服-胀塑性流体； 二） 依时性非牛顿流体 依时性：流体的粘度不仅是剪切速率或剪切应力的函数，也是时间的函数，即与受剪切作用的时间长短有关，可分为： 1）触变流体，如涂料、油墨等； 2）震凝性流体，如溶胶、石膏悬浮液等； 在恒定剪切速率下，其粘度随着时间的延长而下降，并达到一个恒定值； 当剪切作用停止后，粘度随时间延长而增加，可恢复到最初的粘度； 等速增加和等速减小剪切速率所得流动曲线不重合，存在滞后曲线。 三） 粘弹性流体 非牛顿流体在圆管中流动时的表观粘度定义为： 流速分布与流动行为指数有关； n越小，曲线越平坦，假塑性流体在管中的流速分布比牛顿流体均匀； 对管式反应器和塔式反应器的浓度分布和温度分布产生影响； 管壁处流体停留时间长，中心处停留时间短，产物浓度沿管壁至中心逐渐下降； 热效应不均匀； n越小,浓度及温度分布越均匀，所得产物分子量分布越窄。 R dr r 半径为r处面积为2πrdr的环形微元中的流量dQ为： 上式从r=o到r=R积分可得流量Q： 将-du=f(τ)dr,r=Rτ/ τw以及dr=Rdτ/ τw代入，得 层流流量基础式 对 微分，可得管壁处的剪切速率为： （4-24） 利用 ，上式整理为： 若令： 则： 如果以ln(DΔp/4L)~ln(8u/D)作图，n’为图线上某点的斜率，显然， 对于牛顿流体， n’ =1； 幂律流体， n’ =n； 写成幂函数形式： 即： 其中： （8u/D)为流动特征； K’为非牛顿流体稠度系数； n’为非牛顿流体流动行为指数，与幂律流体的稠度系数K和流动行为指数n的关系为： （4-29） 三）表观粘度及雷诺数 将（4-29）代入，得： 对于幂律流体，n’=n,所以： 流体在管壁处的表观粘度定义为： 对于幂律流体，有： 非牛顿流体在管中流动的雷诺数为： 对于幂律流体，有： 四）流量 利用流量基础式（4-24）可分别计算牛顿流体和非牛顿流体在管中层流时的体积流量： 牛顿流体 ，代入（4-24） 幂律流体 ，代入（4-24），得 （4-37） 宾汉流体 ，代入（4-24），得 R u r P1 F P2 u l 1 1 2 2 如图所示，流体在半径为R 的水平管中作稳定流动。在流体中取一段长为 L，半径为r的流体圆柱体。在水平方向作用于此圆柱体的力有两端的总压力(P1-P2)及圆柱体周围表面上的内摩擦力F。 1）牛顿流体平均流速 五）平均流速与流速分布 作用于圆柱体两端的总压力分别为 P1＝πr2p1 P2＝πr2p2 式中的p1、p2分别为左、右端面上的压强，N/m2。 式中的负号表示流速沿半径增加的方向而减小。 流体作层流流动时内摩擦力服从牛顿粘性定律，即 作用于流体圆柱体周围表面2πrl上的内摩擦力为 由于流体作等速流动，根据牛顿第二定律，这些力的合力等于零。 故 式中 Δp —— 两端的压力差(p2－p1)。 即 利用管壁处的边界条件，r＝R时，u＝0 。可得 积分 由此式可知，速度分布为抛物线形状。 当r =0 时，有 平均流速 速度分布：流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。流动类型不同，速度分布规律亦不同。 ??? 由实验可以测得层流流动时的速度分布，如图所示。 速度分布为抛物线形状。 管中心的流速最大； 速度向管壁的方向渐减； 靠管壁的流速为零； 平均速度为最大速度的一半。 ??? 2）牛顿流体流速分布 实验证明，牛顿流体层流速度的抛物线分布规律要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。 当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时，层流速度分布的抛物线规律才算完全形成。尚未形成层流抛物线规律的这一段，称为层流起始段。 X0＝0.05dRe X0 滞流边界层 3）幂律流体平均流速 管中心流速最大 平均流速 ，将（4-37）代入，得 所以 4）幂律流体流速分布 * 第四章 化工流变学基础 流体的特征：具有流动性。即 抗剪和抗张的能力很小； 无固定形状，随容器的形状而变化； 在外力作用下其内部发生相对运动。 流体: 在剪应力作用下能产生连续变形的物体称为流体。如气体和液体。 4.1 概 述 不可压缩流体：流体的体积如