非牛頓流體

非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪下應變率之間不是線性關係的流體。非牛頓流體廣泛存在於生活、生產和大自然之中。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。

基本介紹

• 中文名：非牛頓流體
• 外文名：non-Newtonian fluid
• 解釋：指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體
• 存在範圍：生活、生產和大自然
• 例子：血液、淋巴液、囊液

非牛頓流體實例

非牛頓流體廣泛存在於生活、生產和大自然之中。

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。

高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。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。

食品工業中的番茄汁、澱粉液、蛋清、蘋果漿、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也都是非牛頓流體。

非牛頓流體的特性

射流脹大（也稱Barus效應，或Merrington效應）(圖1)

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。

圖1 乳酪射流出口的脹大現象

爬桿效應（也稱為Weissenberg效應）(圖2)

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。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。

圖2 非牛頓流體的爬桿效應（右）

無管缸吸或開口虹吸(圖3)

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。

圖3 開口虹吸

湍流減阻（也稱Toms效應）(圖4)

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。雖然湍流減阻效應的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。

圖4 湍流減阻：同樣動力下消防水龍頭噴水圖

其他性質

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。