
【化】 generalized Newtonian fluid
广义牛顿流体(Generalized Newtonian Fluid)是流体力学中用于描述非牛顿流体行为的一类简化模型。其核心特征表现为黏度随剪切速率变化,但忽略弹性效应和时间依赖性。以下从定义、数学模型及应用三方面展开解释:
定义与核心特性
广义牛顿流体在汉英词典中对应"Generalized Newtonian Fluid",其本构方程可表示为: $$ boldsymbol{tau} = eta(dot{gamma}) cdot dot{boldsymbol{gamma}} $$ 其中$tau$为偏应力张量,$dot{gamma}$为剪切速率张量,$eta$为表观黏度函数。与牛顿流体的恒定黏度不同,广义牛顿流体的黏度随剪切速率$dot{gamma}$变化,这种特性被称为"剪切变稀"或"剪切增稠"(《非牛顿流体力学》,科学出版社,2018)。
典型分类模型
常见子类包括:
当n<1时为假塑性流体(如血液),n>1时为胀塑性流体(如玉米淀粉悬浊液)
适用于描述聚合物溶液的黏度变化(《Transport Phenomena》,Wiley,2001)
存在屈服应力$tau_0$(如牙膏)
工程应用领域
该模型在食品加工(番茄酱泵送)、石油开采(钻井液设计)、生物医疗(人工关节滑液模拟)等领域具有重要应用价值。美国化学工程师协会(AIChE Journal)的多篇研究证实,采用Carreau-Yasuda模型可精确预测高分子熔体在注塑成型中的流动行为。
关于“广义牛顿流体”,目前学术界并没有一个严格统一的定义。根据牛顿流体的核心特征,结合相关概念扩展,可以这样理解:
牛顿流体指严格遵循牛顿内摩擦定律的流体,其剪切应力(τ)与剪切速率(γ)呈线性关系,公式为: $$ τ = μγ $$ 其中粘度μ为常数,不随剪切速率变化。典型例子包括水、空气、酒精等。
在工程应用中,有时会将以下两类流体统称为广义牛顿流体:
变粘度牛顿流体
粘度μ随温度或压力变化,但仍保持τ与γ的线性关系。例如高温下的润滑油(提到粘度值恒定是牛顿流体的理论假设,实际应用中可能放宽条件)。
非牛顿流体的近似模型
对部分非牛顿流体(如假塑性流体)采用修正的粘度表达式,形式上仍保持τ=μ(γ)γ,但μ不再是常数。这类模型在化工流动计算中常被简化称为“广义牛顿流体”(、7提到非牛顿流体的分类)。
严格来说,非牛顿流体(如宾汉流体、膨胀流体)的剪切应力与剪切速率呈非线性关系或存在屈服应力,不能通过单一粘度函数描述。而“广义牛顿流体”更强调通过等效粘度进行线性化建模的应用场景(参考、9中关于非线性关系的描述)。
类型 | 粘度特性 | 剪切应力关系 | 典型流体 |
---|---|---|---|
牛顿流体 | 恒定μ | τ=μγ | 水、空气 |
广义牛顿流体 | μ随温度/压力/γ变化 | τ=μ(γ)γ | 润滑油、聚合物熔体 |
非牛顿流体 | 复杂非线性关系或屈服应力 | τ=f(γ)非单一线性 | 牙膏、番茄酱 |
建议在学术文献中优先使用“非牛顿流体”及其子类(如宾汉流体)等标准术语,以避免概念混淆。
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