
【化】 Newtonian flow
Newton
【化】 newton
flow; flowage; fluxion; on the move; run; stream
【醫】 afflux; flow; fluxion; streaming movement
【經】 circulating; floating; flow
牛頓流動(Newtonian Flow)是流體力學中描述牛頓流體運動特性的基本概念。根據經典定義,牛頓流體指剪切應力(τ)與剪切速率($dot{gamma}$)呈線性關系的流體,其數學表達式為: $$ τ = μdot{gamma} $$ 其中μ為動力黏度系數,該公式由艾薩克·牛頓在《自然哲學的數學原理》中首次系統闡述(來源:Encyclopedia Britannica)。
核心特征包含三點:
工業應用中,熔融态玻璃和輕型潤滑油屬于典型牛頓流體。NASA在航天器燃料輸送系統的設計中,特别要求對牛頓流體特性進行建模計算(來源:Journal of Fluid Mechanics)。
該理論在血液流變學研究中有重要延伸,雖然血漿近似牛頓流體,但全血因紅細胞存在表現出非牛頓特性(來源:Physical Review Fluids)。
牛頓流動是指流體在流動過程中符合牛頓内摩擦定律的力學行為,其核心特征是剪切應力與剪切速率呈線性正比關系。以下是詳細解釋:
定義與數學表達式
牛頓流動遵循牛頓内摩擦定律,公式為:
$$tau = mu gamma$$
其中,$tau$ 為剪切應力,$mu$ 為流體黏度(恒定值),$gamma$ 為剪切速率(流速梯度)。該公式表明,剪切應力與剪切速率成正比,且黏度不隨外力變化。
黏度特性
牛頓流體的黏度在恒定溫度下保持固定,與剪切速率無關。例如,水的黏度不會因攪拌速度改變而發生變化。其流動曲線表現為一條通過原點的直線(見圖示)。
典型實例
常見的牛頓流體包括:
與非牛頓流體的區别
|特性 |牛頓流體 |非牛頓流體 |
|----------------|--------------------------|----------------------------|
| 剪切應力-速率關系 | 線性 | 非線性(可能含屈服值或黏度變化) |
| 黏度| 恒定 | 隨剪切速率或時間變化|
| 實例| 水、空氣 | 番茄醬、牙膏、血液等 |
實驗背景
牛頓流動的經典實驗是庫埃特流動,即兩平行平闆間流體的低速剪切運動。實驗表明,速度分布呈線性,驗證了黏度恒定的特性。
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