非牛頓性液體

人們將剪應力與剪下應變率之間滿足線性關係的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關係的流體稱為非牛頓流體。

英國科學家牛頓於1687年，發表了以水為工作介質的一維剪下流動的實驗結果。實驗是在兩平行平板間充滿水時進行的，下平板固定不動，上平板在其自身平面內以等速U向右運動。此時，附著於上、下平板的流體質點的速度，分別是U和0，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度係數。由此得到了著名的牛頓黏性定律。

斯托克斯1845年在牛頓這一實驗定律的基礎上，作了應力張量是應變率張量的線性函式、流體各向同性及流體靜止時應變率為零的三項假設，從而導出了廣泛套用於流體力學研究的線性本構方程，以及被廣泛套用的納維-斯托克斯方程（簡稱：納斯方程）。

基本介紹

• 中文名：非牛頓性液體
• 外文名：Non-Newtonian Fluid
• 類型：科學
• 發現人：牛頓
• 發現時間：1687
• 常見實例：澱粉溶液等

歷史起源

非牛頓流體的發現

英國科學家牛頓於1687年，發表了以水為工作介質的一維剪下流動的實驗結果。實驗是在兩平行平板間充滿水時進行的，下平板固定不動，上平板在其自身平面內以等速U向右運動。此時，附著於上、下平板的流體質點的速度，分別是U和0，兩平板間的速度呈線性分布，斜率是黏度係數。由此得到了著名的牛頓黏性定律。

斯托克斯1845年在牛頓這一實驗定律的基礎上，作了應力張量是應變率張量的線性函式、流體各向同性及流體靜止時應變率為零的三項假設，從而導出了廣泛套用於流體力學研究的線性本構方程，以及被廣泛套用的納維-斯托克斯方程（簡稱：納斯方程）。

後來人們在進一步的研究中知道，牛頓黏性實驗定律（以及在此基礎上建立的納斯方程），對於描述像水和空氣這樣低分子量的簡單流體是適合的，而對描述具有高分子量的流體就不合適了，那時剪應力與剪下應變率之間己不再滿足線性關係。為區別起見，人們將剪應力與剪下應變率之間滿足線性關係的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關係的流體稱為非牛頓流體。

形形色色的非牛頓流體

早在人類出現之前，非牛頓流體就已存在，因為絕大多數生物流體都屬於現在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”，都屬於非牛頓流體。

近幾十年來，促使非牛頓流體研究迅速開展的主要動力之一，是聚合物工業的發展。聚乙烯、聚丙烯醯胺、聚氯乙烯、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑膠、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。

石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鑽井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的塗液、泡沫、液晶、高含沙水流、土石流、地幔等也都是非牛頓流體。

非牛頓流體在食品工業中也很普遍，如番茄汁、澱粉液、蛋清、蘋果漿、菜湯、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆漿、熔化朱古力、麵團、米粉團、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料。

綜上所述，在日常生活和工業生產中，常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯體系、懸浮體系等複雜性質的流體，差不多都是非牛頓流體。有時為了工業生產的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進其性能的同時，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產量使用的壓裂液、新型潤滑劑等。

現在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱為軟物質。

特性及套用

射流脹大

如果非牛頓流體被迫從一個大容器，流進一根毛細管，再從毛細管流出時，可發現射流的直徑比毛細管的直徑大。射流的直徑與毛細管直徑之比，稱為模片脹大率（或稱為擠出物脹大比）。對牛頓流體，它依賴於雷諾數，其值約在0.88～1.12之間。而對於高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過10。一般來說，模片脹大率是流動速率與毛細管長度的函式。

模片脹大現象，在口模設計中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時，管截面長邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長邊中央脹得最大。因此，如果要求生產出的產品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進去的形狀。

這種射流脹大現象，也叫Barus效應，或Merrington效應。

爬桿效應

1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學院，公開表演了一個有趣的實驗：在一隻有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉實驗桿。對於牛頓流體，由於離心力的作用，液面將呈凹形；而對於黏彈性流體，卻向杯中心流動，並沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實驗桿旋轉速度很低時，也可以觀察到這一現象。

爬桿效應也稱為Weissenberg效應。在設計混合器時，必須考慮爬桿效應的影響。同樣，在設計非牛頓流體的輸運泵時，也應考慮和利用這一效應。

無管虹吸

對於牛頓流體來說，在虹吸實驗時，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會停止。但對高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無管虹吸實驗。將管子慢慢地從容器撥起時，可以看到雖然管子己不再插在液體裡，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續流進管里。甚至更簡單些，連虹吸管都不要，將裝滿該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過程一旦開始，就不會中止，直到杯中液體都流光。這種無管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎。無管虹吸對於化纖生產有重要意義。

湍流減阻

非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理和流體力學界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現了減阻效應。有人報告：在加入高聚物添加劑後，測得猝發周期加大了，認為是高分子鏈的作用。

減阻效應也稱為Toms效應，雖然其道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯的套用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的揚程提高一倍以上。套用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發生過程及其破壞作用。

非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細的細絲，可見“春蠶到死絲方盡”一文），剪下變稀（可見“腱鞘囊腫治癒記”一文），連滴效應（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。

由於非牛頓流體涉及許多工業生產部門的工藝、設備、效率和產品質量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來越受到科學工作者的重視。1996年8月在日本京都國際會議中心，召開的第19屆國際理論與套用力學大會（IUTAM）上，非牛頓流體流動是大會的6個重點主題之一，也是流體力學方面參與最踴躍的主題。Grochet邀請報告的觀點是，高分子溶液和熔體的特性遠異於牛頓流體，並認為對這些異常特性的研究，都是帶有挑戰性的課題。

（原刊登於《物理教學》2002年24卷3期）