
【化】 generalized Newtonian fluid
廣義牛頓流體(Generalized Newtonian Fluid)是流體力學中用于描述非牛頓流體行為的一類簡化模型。其核心特征表現為黏度隨剪切速率變化,但忽略彈性效應和時間依賴性。以下從定義、數學模型及應用三方面展開解釋:
定義與核心特性
廣義牛頓流體在漢英詞典中對應"Generalized Newtonian Fluid",其本構方程可表示為: $$ boldsymbol{tau} = eta(dot{gamma}) cdot dot{boldsymbol{gamma}} $$ 其中$tau$為偏應力張量,$dot{gamma}$為剪切速率張量,$eta$為表觀黏度函數。與牛頓流體的恒定黏度不同,廣義牛頓流體的黏度隨剪切速率$dot{gamma}$變化,這種特性被稱為"剪切變稀"或"剪切增稠"(《非牛頓流體力學》,科學出版社,2018)。
典型分類模型
常見子類包括:
當n<1時為假塑性流體(如血液),n>1時為脹塑性流體(如玉米澱粉懸濁液)
適用于描述聚合物溶液的黏度變化(《Transport Phenomena》,Wiley,2001)
存在屈服應力$tau_0$(如牙膏)
工程應用領域
該模型在食品加工(番茄醬泵送)、石油開采(鑽井液設計)、生物醫療(人工關節滑液模拟)等領域具有重要應用價值。美國化學工程師協會(AIChE Journal)的多篇研究證實,采用Carreau-Yasuda模型可精确預測高分子熔體在注塑成型中的流動行為。
關于“廣義牛頓流體”,目前學術界并沒有一個嚴格統一的定義。根據牛頓流體的核心特征,結合相關概念擴展,可以這樣理解:
牛頓流體指嚴格遵循牛頓内摩擦定律的流體,其剪切應力(τ)與剪切速率(γ)呈線性關系,公式為: $$ τ = μγ $$ 其中粘度μ為常數,不隨剪切速率變化。典型例子包括水、空氣、酒精等。
在工程應用中,有時會将以下兩類流體統稱為廣義牛頓流體:
變粘度牛頓流體
粘度μ隨溫度或壓力變化,但仍保持τ與γ的線性關系。例如高溫下的潤滑油(提到粘度值恒定是牛頓流體的理論假設,實際應用中可能放寬條件)。
非牛頓流體的近似模型
對部分非牛頓流體(如假塑性流體)采用修正的粘度表達式,形式上仍保持τ=μ(γ)γ,但μ不再是常數。這類模型在化工流動計算中常被簡化稱為“廣義牛頓流體”(、7提到非牛頓流體的分類)。
嚴格來說,非牛頓流體(如賓漢流體、膨脹流體)的剪切應力與剪切速率呈非線性關系或存在屈服應力,不能通過單一粘度函數描述。而“廣義牛頓流體”更強調通過等效粘度進行線性化建模的應用場景(參考、9中關于非線性關系的描述)。
類型 | 粘度特性 | 剪切應力關系 | 典型流體 |
---|---|---|---|
牛頓流體 | 恒定μ | τ=μγ | 水、空氣 |
廣義牛頓流體 | μ隨溫度/壓力/γ變化 | τ=μ(γ)γ | 潤滑油、聚合物熔體 |
非牛頓流體 | 複雜非線性關系或屈服應力 | τ=f(γ)非單一線性 | 牙膏、番茄醬 |
建議在學術文獻中優先使用“非牛頓流體”及其子類(如賓漢流體)等标準術語,以避免概念混淆。
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