原油流變學

1、原油流變學,授課教師：魏愛軍授課班級：儲運1001～081201,參考書：,1.李傳憲、羅哲鳴編著.原油流變性及測量.山東東營：石油大學出版社.1994.82.沈崇棠、劉鶴年合編.非牛頓流體力學及其應用.北京：高等教育出版社.1989.33.黃逸仁編.非牛頓流體流動及流變性測量.四川成都：成都科技大學出版社.1993.94.羅塘湖編著.含蠟原油流變特性及其管道輸送.北京：石油工業(yè)出版社.19905.其它一些參考書。,,課程簡

2、單介紹及一些具體要求：,1.考試課，統(tǒng)一考試。2.總學時36，理論講授33學時，實驗3學時。3.考試成績70％，平時成績(出勤、作業(yè)、課堂表現(xiàn))20％，實驗成績10％4.課程名稱為“流變學”，實際為“非牛頓流體力學”，更具體應為“原油流變性及其測量”5.主要講授的內(nèi)容：流變學基礎、流變性測量、結合專業(yè)實際講原油的流變性、原油流變性的評價與測量。,,第一章 緒論,流變學(Rheology)是研究物質變形與流動的科學(the sc

3、ience of deformation and flow of material)。實際物質在外力作用下怎樣變形與流動，這是物質本身固有的性質，可以稱其為物質的流變性(即物質在外力作用下變形與流動的性質)。流變學就是研究物質流變性的科學。,,§1.1 流變學概念,流變學是一門既古老又年青的科學。早在公元前1500年，人們對流變學就有了膚淺的認識，例如，埃及人發(fā)明了一種稱為水鐘的陶瓷制品，其形狀是一個圓錐形容器，底部開有一小

4、孔，用以測定容器內(nèi)水層高度與時間的關系以及溫度對流體粘度的影響。但總的來說，流變學在16世紀以前發(fā)展比較緩慢。16世紀以后，流變學獲得了比較迅速的發(fā)展： Boyle提出理想氣體的定律(PV=C，1662年)；Calileo提出液體具有內(nèi)聚粘性概念；Hooke建立了彈性固體的應力與應變關系(σ=Eε，1678年)；,Newton闡明了牛頓流體流動阻力與剪切速率之間有正比關系(1687年)，（實際上，當時Newton是以假說形式提出的

5、這一定律 ，19世紀末葉，德國的Ostwald在Poisuille定律公式的基礎上推導出具體的牛頓流體定律公式） 這些發(fā)現(xiàn)尤其是牛頓流動定律，對流變學的發(fā)展起著十分重要的作用；19世紀由德國土木學家Hagen和法國血液醫(yī)學科學家Poiseuille建立的Hagen & Poiseuille方程(Q=πD4ΔP/128μL)，標志了流變學的重大發(fā)展。,在流變學發(fā)展過程中，美國物理化學家E.C.Bingham教授作出了

6、劃時代的貢獻。他不僅發(fā)現(xiàn)了一類所謂Bingham流體(如潤滑油、油漆、泥漿等)的流動規(guī)律，而且把20世紀以前積累下來的有關流變學的零碎知識進行了系統(tǒng)的歸納，并正式命名為流變學(Rheology)。1929年Bingham等倡議成立了美國流變學會(society of rheology of USA)，且同年創(chuàng)刊流變學雜志(Journal of Rheology)。人們一般以此作為流變學(作為學科)創(chuàng)立的標志。,,以后流變學逐步被歐、美、

7、亞等各大洲的許多國家所承認。目前全世界許多國家都有自己的流變學會，1948年在荷蘭召開了第一屆國際流變學會議，以后每4年舉行一屆國際流變學會議。 我國在流變學方面的工作是從新中國成立后才開始的，特別是改革開放以來，在科學技術和工業(yè)發(fā)展的促進下，無論是在廣度還是在深度，流變學在我國都有了很大的發(fā)展。我國于1985年11月在長沙召開第一屆全國流變學會議，至今已召開了5屆全國流變學會議。 有關原油流變學的基本知識在輸油

8、管道行業(yè)的工程技術人員中越來越普及。國內(nèi)流變學界某權威人士曾指出,石油行業(yè)(包括儲運、開發(fā)等)是國內(nèi)流變學應用及普及工作做得較好的行業(yè)。,,按照流變學的定義，它幾乎研究所有物質在外力作用下的變形或流動問題，包括經(jīng)典的Hooke固體和Newton粘性液體這樣的極端。但實際上這些經(jīng)典極端總是被認為超出了現(xiàn)代流變學研究的范圍。彈性力學是研究純彈性物體的受力與變形問題，流體力學則研究牛頓流體的受力與流動問題，在這兩個極端情況下，物質的受力與變形

9、或流動的關系比較簡單。而許多實際材料的受力變形或流動性質處于上述兩個極端特性之間，這些材料不能用任一傳統(tǒng)的力學模型來進行適當?shù)拿枋?，那么，流變學就是專門對這類材料的受力與變形或流動問題進行研究。所以，流變學研究的是純彈性固體和牛頓流體狀態(tài)之間所有物質的變形與流動問題。,,流變學的發(fā)展有著密切的工業(yè)背景，本來流變學就是應工業(yè)的需要而發(fā)展起來的，因此，流變學在各工業(yè)領域的研究發(fā)展產(chǎn)生了許多對應的流變學分支，象聚合物加工流變學、生物流變學、藥

10、品流變學、食品流變學、石油流變學、土壤流變學等等。,,§1.2 流體的粘度,,,§1.3 力、形變和流動,在傳統(tǒng)上流變學作為力學的一個分支，因為物質的流變性是應用力學的基本原理來確定的，盡管流變學更注重不同物質的力學性質與其內(nèi)部結構之間的關系，而不限于力學本身。應用力學原理確定引起物質運動的力是動力學問題。流變學中物質所受到的力用應力或應力張量表示。當受到一定的應力作用后，所有物質都不同程度地變形，如果是流體則變

11、形是連續(xù)的，即產(chǎn)生流動。對這些變形或運動狀態(tài)的描述則是運動學問題。流變學中用應變或應變速率表示物質的運動狀態(tài)即變形或流動。,一、連續(xù)介質(continuum)的概念 流體質點就是流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸又足夠大的任意一個物理實體。 假定流體是由無窮多個、無窮小的、緊密毗鄰、連綿不斷的流體質點所組成的一種絕無間隙的連續(xù)介質。 物質被看成是連續(xù)介質，就擺脫了復雜的分子運動，而著眼于宏觀運動，那么反映宏觀物質的各種物理性質都是空間

12、坐標的連續(xù)函數(shù)，在解決流變學問題時，就可應用數(shù)學分析中的連續(xù)函數(shù)概念進行數(shù)學解析。當所研究的物體大小與物質分子的平均自由行程在同一個數(shù)量級時，連續(xù)介質模型是不適用的。,二、連續(xù)介質中的力在流變學中，作用在質點上的力用應力表示 1、應力矢量(stress vector) 假定作用于p點的力為F， 那么p點的應力矢量定義為： 微元表面的取向不同，應力矢量T(n)值不同，即應力矢量是微元表面法向單位矢量n的函

13、數(shù)，這是應力矢量的一個重要特征。 應力矢量可以分解為法向應力(沿作用面法線方向)和切向應力(或稱剪切應力)(沿作用面切向)，法向應力和切向應力也均是矢量。,,2、應力張量(stress tensor) 由于過一點的作用面方向可任意選取，該點處應力矢量的大小和方向也隨之改變，所以，一點的應力狀態(tài)不能用一個固定的應力矢量來描述，而要用九個分量組成的應力張量來描述。 每個分量的第一個下標表示應力分量

14、作用面的法線方向，第二個下標表示應力分量的方向。,,,三、連續(xù)介質中的形變與流動 物質變形(包括流動)的基本特征是其中各點發(fā)生了一定的相對移動。根據(jù)連續(xù)介質的概念，可以把物質的狀態(tài)定義為構成物質的質點在空間位置上占據(jù)一定的位置，形成一種確定的構形，因此決定物質狀態(tài)的是質點構成相對于某一參照系的確定位置。從此意義上講，物質狀態(tài)的變化稱為變形，而物質連續(xù)無限地變形就是流動。,,流變學中有三種基本變形：簡單拉伸、簡單剪切和體積壓

15、縮與膨脹。,,簡單拉伸： 物體只在一個方向(受力方向)上產(chǎn)生拉伸應變。長細比很大的桿件單向拉伸時，只能度量出拉伸方向的應變。 拉伸應變(extensional strain)： 應變速率(extensional strain rate)：,,,,簡單剪切：平行于力作用方向的相鄰面之間產(chǎn)生相對移動，這是一種角應變。簡單變形隨時間連續(xù)發(fā)展的結果就是簡單剪切流動，如液體沿水平等徑管道的穩(wěn)態(tài)層層流動等。

16、剪切應變(shear strain)： 應變速率(shear strain rate)：,,,體積壓縮與膨脹：是靜壓變化引起的。靜壓是一種各向同性的力。對各向同性的物質，靜壓下只改變體積單元的體積，而形狀不變化。 體積應變(volume strain)： 應變速率(volume strain rate)：,,,,真實物體的變形只不過是其中的一種，或是基本變形的疊加而構成的復雜變形。同應

17、力的描述相似，流變學中用應變張量和應變速率張量來描述物質復雜的變形和流動，即： 應變張量： 應變速率張量：,,,,對流體只需用應變速率張量。通常用應變速率、剪切速率或速度梯度來描述流體的流動。 應變速率是單位時間的應變變化: 應變速率又分為拉伸應變速率和剪切應變速率。剪切應變速率描述流體的剪切流動，拉伸應變速率描述流體的拉伸流動。在簡單剪切流動中，流體的流動方向與速度梯度方向垂直，如

18、平行平板間的拖動流、流體在等直徑圓管中的層流流動等；對簡單拉伸流動來說，流體的流動方向與速度梯度方向相同，如紡絲過程等。,,,剪切速率就是剪切應變速率，即單位時間剪切應變的變化，常用 表示剪切速率。 速度梯度是流體元的速度對空間坐標的導數(shù)，用 表示。在數(shù)學上，速度梯度與剪切速率一般是相等的，這是因為一般速度梯度= （剪切速率）。但在某些流動條件下，二者的

19、物理意義也有所區(qū)別，如在第三章介紹的同軸圓筒旋轉流動。,,,,,流體在不同的流動方式下所表現(xiàn)出的流動阻力特性不同。剪切粘度等于剪切應力與剪切速率之比。剪切粘度就是牛頓內(nèi)摩擦定律中的動力粘度。拉伸粘度等于拉伸應力與拉伸應變速率之比。對牛頓流體來說，在簡單的拉伸流動即單軸拉伸流動條件下，其拉伸粘度為剪切粘度的3倍；對非牛頓流體來說，其拉伸粘度大于3倍的剪切粘度。有資料報道，自然界中95％以上的流動為剪切流動，本課程除非有特殊說明，否則討論的

20、都是剪切流動。在流變學研究中，許多應力狀態(tài)和運動狀態(tài)可以簡化為二維或一維的簡單狀態(tài)。如簡單剪切流動中，受力和流動都是一維的。,四、 流變方程反映物料宏觀性質的數(shù)學模型稱為本構方程，亦稱流變狀態(tài)方程和流變方程，它是關聯(lián)物料所受的應力與其流變響應如應變、應變速率和響應時間，甚至溫度等其他變量的方程。尋求物質的流變方程是流變學研究的一個重要內(nèi)容。流變方程的作用包括： ① 流變方程可以區(qū)分流體類型，即不同類型的流體要用不同的流變方程

21、來描述； ② 從流變方程可以獲得流體內(nèi)部結構的有關信息，如相轉變等； ③ 流變方程與有關流體流動方程相聯(lián)立，可用于解決非牛頓流體的動量、熱量和質量傳遞等工程問題。,,由流變方程決定力學行為的物質是理想的物質，實際上的物質不會絕對遵循某一本構方程，但可以逼近或接近某個流變方程。對一些簡單的流變性質的描述也可用曲線形式表示，如剪切應力與剪切速率關系曲線、粘度隨剪切速率變化曲線等，并稱之為流變曲線。對一些比較復雜的流體，其

22、流變方程往往要用張量來分析描述。,,,,一個本構方程的好與否，主要靠實驗判斷，與實驗結果較符合的，就是一個較好的本構方程。本構方程的選取主要取決于以下幾個因素： a)方程的應用精度； b)方程的簡便性； c)應用目的； d)物理意義； e)個人習好。 可見本構方程的選取不是唯一的。,典型流場,流場是指液體的物理點（或微團）的物理

23、量（如位移、運動速度……）在給定空間內(nèi)的分布。 典型流場是為簡化運動微分方程而引入的簡單流場，而且此簡單流場在實際生產(chǎn)中又具有現(xiàn)實意義。 平行平板間的拖動流—簡單剪切流場 在此流場下，純粘性流體沒有應變張量，只有應變速率張量 ，而且可以大大簡化。其中只有應變速率分量 ，其余應變速率分量均為零。,,,,,屬于簡單剪切流場的還有：(l)管流中的Poise

24、uille 流動；(2)同軸旋轉圓筒間的Couette流動和Searle流動；(3)旋轉錐板間的剪切流動等等。,§1.4 物質的流變學分類,表1-1 簡單剪切條件下物質的流變學分類譜,上述分類仍然是理想化、模型化的。在通常條件下，許多物料可以明顯地歸類為虎克固體或牛頓流體，而有些物料則介于這些譜類之間，它們既不是明顯的固體，也不是明顯的液體，只是在某種特定條件下，有某種特征占優(yōu)勢，這樣就可以參考上述某一理想化的模式探討其

25、流變行為，這就是簡單分類的意義。,,盡管許多物質比較明顯地分為固體或流體，但也有相當多的物質很難認為它們是固體還是流體，粘彈性體就是這一類物質。 粘彈性體是一類在受力條件下，既表現(xiàn)出彈性又表現(xiàn)出粘性的一類物質，其又可分為以彈性特征為主的彈粘性固體和以粘性特征為主的粘彈性流體。,,一般說來，在一個剪切應力作用下，流體將產(chǎn)生連續(xù)的變形，而固體將產(chǎn)生一個平衡的變形結構。實際上這種性質也是相對的，它決定于物質固有的特性時間和觀察應力

26、和應變變化的時間之間的相對大小，以及應力和應變的大小。 如一種稱之為“反跳膠泥”的有機硅材料，盡管其非常粘滯，但若給以足夠的時間，它終將流成水平。然而，由它做的小球往地板上擲時會反跳起來。不難得出結論，在長時間標尺內(nèi)發(fā)生的慢流動過程中，膠泥的行為象流體；在劇烈且突然的形變下，膠泥會反跳，從而表現(xiàn)出固體的特征。 因此，依賴于形變過程的時間標尺，一種給定物質或材料的行為可能象固體或流體。 實際上流變學的一

27、個基本原理，也就是希臘哲學家赫拉克里特斯(Heraclitus)的一句哲學名言，即萬物皆流。,為了描述材料的流變行為，現(xiàn)代流變學的奠基人之一瑞訥爾(Reiner)提出了一個無量綱準則數(shù)即德博拉(Deborah)數(shù)De的概念： De=τ/T T是物質運動的特征時間，或者說是觀察形變過程的特征時間；τ是物質的特征時間或記憶時間。 利用德博拉數(shù)可將物質的流變學分類引入更一般化的概念中。嚴格地說，人

28、們不能離開物質特定的運動特征時間來說明其是固體還是流體，只要能使物質處于某種特定的運動特征中，任何物質都可能呈現(xiàn)彈性或粘性。,若De>1，物質表現(xiàn)出固體行為，具有彈性； 若De≈1，則物質表現(xiàn)出粘彈性。 流變學不限于具體的物質形態(tài)，而更注重于物質具體的流變行為。即流變學研究各種物質在彈性固體行為和牛頓流體行為之間的流變性質。 若其涉及的物質在一般條件下表現(xiàn)出流體類的性質，則稱之為流體流變學。

29、 流體流變學研究不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的所有流體的性質，這類流體被稱為非牛頓流體。 可以說非牛頓流體力學與流體流變學具有相同的概念。原油流變學就是一門流體流變學。,從原理上人們把流變學分為以下四個主要研究方向：宏觀流變現(xiàn)象的描述；上述宏觀現(xiàn)象在分子或粒子水平上的解釋及描述；描述上述宏觀現(xiàn)象的有關常數(shù)及函數(shù)的實驗測定；流變學的實際應用。 按照這一分類，流變學則由以下四個對應分支組成，即現(xiàn)象流變學(或宏觀流變學

30、)、結構流變學(或微觀流變學)、流變測量學和應用流變學。,§1.5 流變學的研究方向,§2.1 流體的流變性分類一、分散體系的概念 分散體系是指將物質(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))分裂成或大或小的粒子，并將其分布在某種介質(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))之中所形成的體系。分散體系可以是均勻的也可以是非均勻的系統(tǒng)。均勻分散體系是由一相所組成的單相體系，而非均勻分散體系是指由兩相或兩相以上所組成的多相體系。如果被分散的

31、粒子小到分子狀態(tài)的程度，則分散體系就成為均勻分散體系。非牛頓流體往往是一種非均勻分散體系。,第二章 流體流變學基礎,非均勻分散體系必須具備2個條件： ① 在體系內(nèi)各單位空間所含物質的性質不同； ② 存在著分界的物理界面。 對非均勻分散體系，被分散的一相稱為分散相或內(nèi)相，把分散相分散于其中的一相稱為分散介質，亦稱外相或連續(xù)相。 盡管非牛頓流體在微觀上往往是非均勻的多相分散體系，或非均勻的多相混合流體，但在用連續(xù)介質理論

32、或宏觀方法研究其流變性問題時，一般可以忽略這種微觀的非均勻性，而認為體系為一種均勻或假均勻分散體系。,假均勻多相混合流體認為，分散相在分散介質中的分布是均勻的，即在非紊流的情況下分散相依靠自身的布朗運動也能均勻地分布于連續(xù)相中。 高分子聚合物類的溶液或熔體，盡管它是均勻的，但由于聚合物相對分子質量龐大，分子結構構型復雜，也往往表現(xiàn)出非牛頓流體的性質。,二、 流體的流變性分類,研究對象： 單相流體或假均勻多相混合物

33、流體流場： 簡單剪切流場研究方法： 宏觀方法，將實驗測得的剪切應力與剪切速率之間的關系在直角坐標上用曲線表示，根據(jù)曲線的形狀可判斷流體的流變類型，進而回歸出流變方程。,§2.2 與時間無關的粘性流體,1.牛頓流體（Newtonian fluid） ⑴ 牛頓流體流變曲線為通過原點的直線。 ⑵ 可用直線方程回歸實驗數(shù)據(jù)，即得流變方程： ⑶ 流變方程中反映流體流變特性的參數(shù)

34、只有一個μ。對牛頓流體來說，其流變方程只有一種形式。 ⑷ 典型的牛頓流體舉例：水、甘油、低分子量的成品油，空氣。 ⑸ 牛頓流體內(nèi)部結構特點：單相流體、分散相濃度很低的假均勻多相混合物流體。,,2.假塑性流體（Pseudoplasticfluid） ⑴在直角坐標系中，其流變曲線為凹向剪切速率軸的且通過原點的一條曲線。 ⑵ τ和 是一一對應的，即受力就有流動，但τ與 的變化關系不成比例（

35、即不符合牛頓流體內(nèi)摩擦定律，故為非牛頓流體）。隨著 的增加，τ的增加率逐漸降低。 ⑶表觀粘度μap（apparent viscosity） 對非牛頓流體，沒有恒定的粘度概念，不同的剪切速率下有不同的表觀粘度，這是非牛頓流體的一大特點。,,,,,,,要說明其表觀粘度為多大，一定要注明對應的剪切速率或剪切應力條件。 在流變曲線上，表觀粘度為曲線上某一點與原點所連直線的斜率，而不是流變曲線在該點

36、的切線的斜率。剪切稀釋性 對假塑性流體，隨著剪切速率或剪切應力的增加，表觀粘度降低。對其它類型的非牛頓流體，有的也表現(xiàn)出這一特點。這種性質在流變學上被稱為剪切稀釋性（shear thinning）。,剪切稀釋性的微觀機理,⑶流變方程： 假塑性流體不象牛頓流體那樣具有確定的流變方程形式，往往是有多種形式的流變方程可用于描述假塑性流體特性。 冪律方程形式(工程上應用最廣泛)： 式中:

37、 K—稠度系數(shù)，Pa?sn n—冪律行為指數(shù)，亦稱流變指數(shù)（無因次），對假塑性流體，0＜n＜1。,在工程上常用冪律方程描述假塑性流體特性，原因有以下幾點： ①該方程一般在1~3個數(shù)量級的剪切速率范圍內(nèi)與實際實驗數(shù)據(jù)擬合得較好。 實際上假塑性流體在剪切速率接近于零的低剪切速率范圍內(nèi)，其流變行為符合牛頓流體性質，常稱之為第一牛頓區(qū)；而在剪切速率足夠高的范圍內(nèi)，其流變行為又符合牛頓流體性質，

38、稱之為第二牛頓區(qū)。,②流變方程簡單，只有兩個反映流變性質的常數(shù)（非牛頓流體至少需要兩個常數(shù)的流變方程，才能描述其流變行為），且這兩個常數(shù)的物理意義比較明確。例如，k反映了流體的粘稠程度，n（n小于1）反映了流體的剪切稀釋性質，n越小，流體的剪切稀釋性越強。③方程便于線性化，數(shù)學回歸簡單，從而使得k、n便于求解。 ④冪律形式的流變方程便于工程上進行推導應用，注意：符合 （0<n<1）的流體是假塑

39、性流體，但并不是只有符合該方程的流體才屬于假塑性流體，描述假塑性流體的流變方程可以有多種類型。,⑷典型假塑性流體舉例：如果醬、聚合物溶液、乳狀液、稀釋后的油墨、一定溫度下的原油等等。(5)流體內(nèi)部結構特點： a）內(nèi)相顆粒具有不對稱結構，剪切流動時，顆粒在流動方向上出現(xiàn)不同程度的定向； b）乳狀液，其內(nèi)相顆粒在流動剪切作用下發(fā)生變形； c）存在內(nèi)相顆粒的聚集體結構，在剪切流動時，這種聚集結構被不同程度

40、地打破； d）分散相是親液的，會出現(xiàn)溶劑化現(xiàn)象，溶劑化的顆粒在剪切作用下遭到破壞，已溶劑化的液體會不同程度地分離出來，從而使顆粒的有效體積減小，流動阻力減?。?e）大分子在流動方向上不同程度地伸展。 總之，假塑性流體在流動過程中，其內(nèi)部結構具有從無序到有序的特點。,3.膨腫性流體（或稱脹流型流體） ⑴在直角坐標系中，膨腫性流體的流變曲線為通過坐標原點且凹向剪切應力軸的曲線，如圖所示。

41、 ⑵一受力就有流動，但剪切應力與剪切速率的不成比例，隨著剪切速率的增大，剪切應力的增加速率越來越大，即隨著剪切速率的增大，流體的表觀粘度增大，這種特性被稱為剪切增稠性（shear thickening）。因此，膨腫性流體具有剪切增稠性。,⑶流變方程： 工程上常用冪律方程形式： ， （n>1） ⑷典型流體舉例：芝麻醬加鹽水形成的

42、混合物、沙灘上的濕沙、做饅頭的面團、一定濃度下的二氧化鈦的水懸浮液。⑸內(nèi)部結構特點： a）剪切增稠性是流體結構從一種有序狀態(tài)到無序狀態(tài)的變化； b）剪切力超過了顆粒之間的膠體力，因為這種流體在自身膠體力的作用下形成有序結構的；,,c）具有不太低的內(nèi)相濃度，且內(nèi)相濃度處于一個較窄的范圍內(nèi)。例如，淀粉大約在40~50%的濃度范圍內(nèi)可表現(xiàn)出明顯的膨腫性流體特性；d）內(nèi)相顆粒的尺寸分布是單分散強于多分散；e）剪切增

43、稠性還與介質粘度和顆粒尺寸有關；f）剪切增稠性往往只產(chǎn)生在一定的剪切速率范圍內(nèi)。 在石油工業(yè)中，鉆井時，如遇到脹流性很強的地層，將會發(fā)生卡鉆的嚴重事故。,4.賓漢姆塑性流體（Bingham plastic fluid） ⑴流變曲線為一條直線，但直線不通過坐標原 點，而是與剪切應力軸在τB處相交。 ⑵當對流體施加的外力 ττB時，體系才產(chǎn)生流動。且流動后流體具有剪切稀釋性。τB是使體系產(chǎn)生流動所需要的最小剪切應力，即使

44、流體產(chǎn)生大于0的剪切速率所需要的最小剪切應力，稱之為屈服值。屈服值的大小是體系所形成的空間網(wǎng)絡結構的性質所決定的。 凡是具有屈服值的流體均稱為塑性流體（plastic fluid），外力克服其屈服值而產(chǎn)生的流動稱為塑性流動。,5．屈服假塑性流體（yield pseudoplasticfluid） ⑴流變曲線為一條不同過坐標原點且凹向剪切速率軸的曲線，曲線與剪切應力軸的交點為τy。這種流體兼有屈服特性和

45、假塑性流體的一些特性，故稱之為屈服假塑性流體。 ⑵τy為這種流體的屈服值，當 τ>τy時，剪切應力與剪切速率的關系是非線性的，并具有剪切稀釋性。 ⑶流變方程：常用Herschel-Bulkley方程描述這類流體,,一般n<1 ，且,,⑷典型流體舉例：高分子聚合物，低溫含蠟原油等 ⑸內(nèi)部結構特點：分散相濃度較大，粒子的不對稱程度及聚集程度大，粒子間的結合力較強，易于形成空間網(wǎng)絡結構。,,6.卡

46、松流體（Cassonianfluid）⑴在 坐標系中，流變曲線的直線。 ⑵τC為卡松屈服值，τ~ 的變化關系不成比例，卡松流體具有剪切稀釋性。 ⑶流變方程：式中，μC為卡松粘度。⑷典型流體舉例：動物的血液、巧克力等。 ⑸內(nèi)部結構特點：符合塑性流體的網(wǎng)絡結構理論。,,,,,思考：1.如何定量分析各種類型流體的剪切稀釋性和剪切增稠性？2.為什么含蠟原油會隨著溫度的降低出現(xiàn)牛頓流體、假塑性流體、

47、屈服－假塑性流體三種流變類型？,與時間無關的粘性流體的共同特點： 流體內(nèi)部物理結構的變化都是瞬間即可調(diào)整到與剪切力相適應的程度。即給定一個剪切應力就對應一個剪切速率，反之，給定一個剪切速率就對應一個剪切應力，粘度或表觀粘度不隨時間變化。從理論上講，物質任何狀態(tài)的變化，都對應一個時間過程。但若這一時間過程很短，致使現(xiàn)有技術對觀察和測定這些變化顯得不夠靈敏，或者內(nèi)部結構變化所經(jīng)歷的時間盡管能測定出來，但對所研究的問題不是主要的因

48、素，或者研究的是時間因素消除后的體系流變性質，在這些條件下都可以把流體視為與時間無關的流體。,一、概述 若粘性流體內(nèi)部結構的變化需要一個較長的時間過程才能調(diào)整到與流動條件或靜止條件相適應的結構平衡狀態(tài)，那么，在這種結構變化過程中，流體的宏觀表現(xiàn)就是流體的表觀粘度與時間有關，這種流體就稱為與時間有關的粘性流體。 與時間有關的粘性流體可分為一下兩類： 1、觸變性流體（thixotropicfluid）

49、 1975年英國標準協(xié)會給觸變性下的定義是：在恒定的剪切應力或剪切速率作用下，流體表觀粘度隨時間連續(xù)下降，并在剪切應力或剪切速率消除后，表觀粘度隨之恢復的現(xiàn)象，稱為觸變性。,§2.3 與時間有關的粘性流體,2、反觸變性流體（anti-thixotropyor negative-thixotropy） 即在恒定的剪切應力或剪切速率作用下，流體表觀粘度隨時間而增加。其性質正好與觸變性相反。反觸變性流體比較少

50、見，研究得較少，有時名稱也混亂，如有時被稱作震凝性。 在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，觸變性體系是比較常見的，如油漆、泥漿、低溫含蠟原油等。,,二、觸變性特征： (1)在靜止條件下，流體結構發(fā)展增強 (2)在剪切作用下，這種結構能夠被破壞,,(3)結構的破壞和恢復是等溫可逆的，但結構恢復往往要比構的破壞所需的時間長得多 (4)在恒剪切速率作用下，流體流變性有如下表現(xiàn)：,,a)如果流體以前處于靜止狀態(tài)或經(jīng)受

51、較低的剪切速率剪切，那么，剪切應力將隨時間而下降,b)如果流體以前經(jīng)受較高的剪切速率剪切，那么，剪切應力將隨時間而增加,,c)不管流體以前經(jīng)受的剪切條件如何，如果流體在恒定的剪切速率條件下剪切足夠長的時間，剪切應力最終將達到一個與剪切速率相對應的動平衡值； (5) 當剪切速率突然變化時，剪切應力的響應是瞬時的（即沒有彈性延遲響應特性）；,(6) 在剪切速率連續(xù)增加而后又連續(xù)減小的循環(huán)程序下，剪切應力與剪切速率的變化曲線將是順

52、時針方向的滯回曲線。,,三、觸變性的微觀機理觸變性可以被解釋為是流體內(nèi)懸浮顆粒聚集的結果。在分散體系中，顆粒之間由于Van De Waals力而相互吸引，而又由于靜電斥力和空間斥力而相互排斥。體系最終的穩(wěn)定狀態(tài)將取決于這兩種力的相對大小。如果分散體系處于靜止，顆粒聚集體能形成空間網(wǎng)絡結構。當然，網(wǎng)絡結構強度必須足夠強，以阻止熱布朗運動效應對結構的破壞。如果體系被剪切，弱的物理作用鍵被破壞，網(wǎng)絡結構破碎成各自獨立的聚集體，這種聚集體

53、又會進一步破碎成較小的稱作流動單元的碎塊。另一方面，熱運動以及流動剪切造成流動單元之間的相互碰撞，進而使顆粒聚集體尺寸增長、數(shù)目增加。經(jīng)過一定的時間后，達到與給定的剪切速率相適應的聚集體破壞與增長的動平衡狀態(tài)。如果在更高的剪切速率下剪切，動平衡將向顆粒進一步分散的方向變化。,隨剪切速率增大，體系粘度降低（剪切稀釋性）的主要原因是： 顆粒之間作用鍵的破壞所造成的體系耗散能量的降低。剪切稀釋性的結構機理實際上是觸變現(xiàn)象的本質原因，即

54、流體剪切稀釋性所對應的流體結構的變化需要一個時間過程，這一時間過程在宏觀上就表現(xiàn)為粘度隨時間的變化具有觸變性現(xiàn)象。,四、觸變性測量及觸變模式,用微觀方法建立本構方程，描述其力學響應尚有困難 。常常通過宏觀方法對各種觸變性流體進行實驗 。測量方法雖然不少，但還沒有公認的統(tǒng)一的標準方法。 τ— —t曲線法以及相對應的觸變模式R—G模式。,,R—G模式方程：,式中：τ——可觀測的總剪切應力；τs——結構應力分量；τμ

55、——牛頓應力分量(τμ=μ )(其中的μ是假定流體在高剪切速率下作用較長的時間，其內(nèi)部結構已全被破壞，可以認為已與剪切速率和時間無關的值，因此稱“牛頓”粘度)。,,,τs0——給定剪切速率下，零時刻剪切后的結構應力，由下式確定： τs∞ ——給定剪切速率下，經(jīng)無限時間(即達到動平衡態(tài))剪切后的結構應力，由下式確定： τs1 ——剪切持續(xù)1 min時的結構應力，由下式確定： t——剪切作用的持續(xù)時間，min；KD——與剪

56、切速率無關的常數(shù)，它是相對于結構破壞過程的流體特征值，min-1；KDR——描述結構或網(wǎng)絡的破壞與重建過程中，分散相之間相互作用的一個無因次度量。,,,,,,,,圖2－24 剪切應力衰減曲線,,,一、物質粘彈性的概念 考慮一種物質，在一定的剪切應力作用下，物質發(fā)生一定的剪切變形，當外力消除后，這種變形可能不恢復也可能恢復，可能完全恢復至零，也可能不完全恢復至零。 如果剪切變形最終不能恢復至零，則說物質產(chǎn)生

57、了流動。即使在微小的應力作用下，如果物質產(chǎn)生了流動，則說這種物質為流體（流變學中一般不考慮氣體），否則，物質為固體。 如果物質沒有變形的恢復發(fā)生，則稱物質為非彈性的。 對一種流體來說，如果其變形能部分地恢復，則稱其為彈性液體。,§2.4 粘彈性流體簡介,考慮到時間因素，若固體的變形與恢復是瞬時發(fā)生的，則這種物質具有理想彈性； 否則，固體的變形與恢復比較慢，即有一個時間過程，則這種固體稱為彈

58、粘性固體。 彈性液體，也稱為粘彈性流體，其變形和恢復也需一個時間過程。 粘彈性流體是一類既有粘性又有彈性的液體，其受外力作用時，由于彈性而要產(chǎn)生一定的變形（有一定的時間過程），外力消除后，這種變形要完全恢復（有一定時間過程）；又由于粘性，其在外力作用下要產(chǎn)生一定的流動，其對應的變形是不可恢復的。,,,,二、粘彈性流體的一些流變現(xiàn)象 1. 爬桿現(xiàn)象 又稱韋森堡（Weissenberg）

59、效應,,,,2. 擠出脹大現(xiàn)象,,,,3. 同心套管軸向流動現(xiàn)象,,,,4. 回彈現(xiàn)象5. 無管虹吸現(xiàn)象,,,,6. 次級流現(xiàn)象,,,,三、粘彈性流體與觸變/反觸變流體的時間效應區(qū)別 粘彈性流體與觸變性/反觸變性流體均具有剪切的時間效應。 例如，當突然給一流體施加一剪切應力時，相應的剪切應變隨時間而變化，其原因可明顯地分為兩類：,一類是對應粘彈性流體的，提供給流體的機械能（剪切應力提供）的一部分作為彈性

60、能而儲存起來，相對于一特定的剪切應力，當逐漸達到其最大儲存能量時，所需的能量供給速率降低到僅用于維持流體的粘性流動，因此，相應的剪切速率隨時間逐漸減小，最后達到恒定值。,另一類是對應觸變性/反觸變性流體的，在一定的剪切應力下，流體的結構發(fā)生一定的變化，從而造成剪切速率的變化。這種流體內(nèi)部結構的變化可能是懸浮顆粒間弱鍵的斷裂，或是不規(guī)則形狀的粒子或長鏈分子的定向排列，也可能是粒子之間的碰撞并形成離子聚集體。并且在剪切應力消除時，沒有彈性回

61、復現(xiàn)象。剪切速率隨時間的變化可能增加，表現(xiàn)出觸變性，也可能減小，表現(xiàn)出反觸變性。,粘彈性流體/觸變性流體/反觸變性流體的力學響應曲線圖（a）粘彈性流體；（b）觸變性流體；（c）反觸變性流體。,,,,粘彈性流體與觸變性流體的時間效應比較容易區(qū)分，但對粘彈性流體與反觸變性流體來說，在應力作用下的時間效應相似，只是在應力消除后，粘彈性流體有彈性應變的恢復過程，而反觸變流體則沒有。當然，兩大類流體的時間響應還有其它區(qū)別，特別是粘彈性流體的初始

62、剪切速率往往取決于流體的慣性和實驗儀器的慣性，而觸變性/反觸變性流體的初始剪切速率主要取決于流體的初始粘度。,一、元件模型1.彈性元件 用彈簧表示彈性元件。 其基本特點是： (1) 應力與應變關系方程服從虎克定律：τ=Gγ(或σ=Eε) (2) 應力和應變一一對應，與時間無關。 (3) 彈簧的應變瞬時可以發(fā)生，應力消除后，應變立即消除。,§2.5 線性粘彈性體(模型),,,,2

63、.粘性元件粘性元件用粘壺表示：其基本特點為：(1) 受力與流動服從牛頓內(nèi)摩擦定律：(2) 沒有瞬時應變(粘性阻滯所致)，即在t＝0時刻，開始施加剪切應力時，應變?yōu)榱?，但應變速率不為零?3) 由 得 ，又t＝0時，得γ＝0，則 因此，在恒應力作用下，應變可無限增加。(4)應力消除后，應變不能回復。,,,,,,,,

64、,,,,二、二元模型1.Maxwell（粘彈串聯(lián)）模型,在串聯(lián)方式下： τE=τv=τ γE+γv =γ 將應變對時間求導，得：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,在并聯(lián)方式下： γE = γv =γτE+τv=τ 則： 或,,,2.Voight－Kelvin模型,一、概述 按照分散相顆粒的大小，可以把液體類的分散體系分為如下幾類：

65、 ① 高粒度懸浮液，粒子直徑大于10μm； ② 懸浮液，粒子直徑為10～0.1μm； ③ 溶膠，粒子直徑為100～1nm； ④ 真溶液，分子狀態(tài)分散。 當分散相粒子尺寸比分散介質的分子間距離大時，就可把這種體系作為懸浮液處理?？梢哉f懸浮液是固體顆粒(廣義上包括液體顆粒)作為分散相與液體介質(分散介質)所構成的多相分散體系。 以懸浮液為研究對象的流變學稱為懸浮液流變學。

66、,§2.5 懸浮液微觀流變學,懸浮液的流變性根本上是由懸浮液的內(nèi)部結構性質決定的，如分散相濃度、顆粒形狀、顆粒大小與分布、顆粒的界面性質、液體的極性、顆粒間的作用性質等。 強調(diào)：表示懸浮液內(nèi)相濃度的參數(shù)是內(nèi)相顆粒占懸浮液的體積，即體積分數(shù)，而不是質量分數(shù)。 微觀流變學注重在分子和顆粒水平上解釋或描述宏觀流變現(xiàn)象，注重流體的微觀結構與其流變性之間的關系，依據(jù)物理概念將物質的微觀結構模型化，經(jīng)數(shù)學推導，

67、建立物質的本構方程。,二、作用在分散相顆粒上的力 1.膠體源力 膠體源力即粒子間相互作用產(chǎn)生的膠體源力。 (1)粒子間的范德華（Van DerWaals）引力􀂙 靜電力：是極性分子的偶極子之間的引力；􀂙 誘導力：是極性分子的偶極子與其它分子的誘導偶極子之間的引力；􀂙 色散力：是分子的誘導偶極子之間的引力。

68、 Van Der Waals引力所包含的三種力均與分子間距離的六次方成反比，作用范圍一般在0.3~0.5nm，與其它力相比屬于短程力。,懸浮體內(nèi)相顆粒是許多分子的聚集體，因此，粒子間的引力是粒子中所有分子引力的總和。顆粒間的吸引力與粒子間距離的三次方成反比，這說明粒子間有“遠程”的Van Der Waals引力，即在比較遠的距離時顆粒間仍有一定的吸引力，其作用范圍一般在1~10nm。 (2) 靜電排斥力

69、 當懸浮體系是由電解質溶液所形成時，顆粒表面會帶一定的電荷，表面電荷與擴散在電解質溶液中的周圍的反離子層組成所謂的雙電層。顆粒的雙電層之間會產(chǎn)生靜電斥力，這種顆粒間的靜電斥力作用范圍近似為一個雙電層的厚度。,隨電介質濃度增大，雙電層厚度或靜電斥力的作用范圍減小。計算表明，顆粒間的靜電斥力是顆粒間距離的指數(shù)函數(shù)。 (3)大分子空間斥力 當內(nèi)相顆粒表面吸附一定量的具有一定結構的大分子時，大分子會在顆粒表面形成