工业流变学
工业流变学
教师：张立娟
中国石油大学（北京）
第一章 绪 论
1.1 流变学概论 1.2 牛顿和非牛顿流体 1.3 典型的流变现象
第一章
1.1 流变学概论
绪 论
一 二 三 四
流变学的概念 流变学的发展简史 流变学的分类 流变学的研究内容 和研究方法
1.1 流变学概论
1.1.1
典型的流变现象之一
流变学的概念
聚合物加工口模设计 挤出胀大
1.1 流变学概论
1.1.1
典型的流变现象之二 爬杆现象
流变学的概念
甘油溶液
聚丙烯酰胺溶液
1.1 流变学概论
1.1.1
流变学的定义： 流变学(Rheology)是研究材料在外力作用下流动与形变规律的科学。
流变学的概念
流体
固体动力
动力的响应
流变学多学科综合交叉性： 基础——力学、物理学、数学 涉及的学科领域——材料科学 化学(胶体化学与高分子化学) 生物学 地质学 机械学 ……
1.1 流变学概论
1.1.2 流变学的发展简史
史前时期 ● 狩猎工具的弓箭 ● 文物考古出土的新石器时代的陶器可推知，当时的人类已经认识并掌握了 粘土和水混合物的可塑性。 1869年 英国物理学家Maxwell发现，材料可以是弹性的，又可以是粘性的。 他与Kelvin等都认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。 20世纪20年代 “流变学” 作为一门相对独立的学科领域出现 涂料、印刷油墨、食品、化妆品、陶瓷等具有流动性，但却不服从牛顿内摩 擦定律;它们在半固态下可表现出弹性，却不服从虎克定律。 美国物理化学家 E.C.Bingham 在研究了各种胶体物质分散体系的流动之 后，深感建立一门“总和各种不同物质的流动与形变的应用科学”的必要性和重要 性。他的想法得到了许多学者的赞同，并于1929年创立了一个新的学会——流变 学会。
1.1 流变学概论
1.1.2
流变学在近代的蓬勃发展 ● 1939年荷兰皇家科学院成立了以Burgers教授为首的流变学小组 ● 1940年英国出现了流变学家学会 ● 1948年国际流变学会议在荷兰举行 ● 法国、瑞典等国也先后成立了流变学会。 许多重要的流变模型和本构方程以他们的名字命名，Maxwell模型 和Kelvin模型是最简单的粘弹模型、Bingham模型是具有屈服应力广义 牛顿流体模型、Burgers模型是研究混凝土及沥青混合料时常用的模型。
流变学的发展简史
1.1 流变学概论
1.1.2
流变学在现代的飞速发展 ●新产品的研制 现代工业需要耐蠕变、耐高温高质量的金属、合金等，油气田开发需 要耐温、耐盐、稳定性好的聚合物，使固体蠕变和粘弹性有关的流变学迅速 发展起来 ● 在地球科学中，流变学为研究地壳中物理现象提供了物理－数学工具 对于地球内部过程，如岩浆活动、地幔热对流等，现在则可利用高 温、高压岩石流变试验来模拟。 ● 蠕变断裂流变学发展起来 在土木工程中，建筑的土地基的变形可延续数十年之久。土的流变性 而引起了大量的工程问题，许多的工程由于土体流变而破坏失事：粘土地基 位移、边坡稳定性。地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断裂。因此，土 流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。
流变学的发展简史
1.1 流变学概论
1.1.3 流变学的分类
1
根据研究方法分类
① 实验流变学——通过现代实验技术来揭示材料的流变规律 ● 建立材料的经验或半经验流变模型，解决工程中的流变学问题 ● 揭示材料在各种条件下流变性的物理本质 ● 研究测量原理和测试技术，用以研制或改进测试仪器和测试手段 ② 理论流变学——应用数学、力学、物理等基本理论与方法，研究材料
质的流变现象。建立能够充分描述材料内部结构与材料力学特性之间关系的流变 模型，揭示材料流动与形变的本质与规律性。
1.1 流变学概论
1.1.3 流变学的分类
2
根据研究尺度 ① 宏观流变学——用连续介质力学方法来研究材料的流变性 （连续介质流变学、唯象流变学 ）
② 结构流变学——从分子、微观出发，研究材料流变性与材料结构 (包括化学结构、物理结构和形态结构)的关系。结构流变学还常被称为分 子流变学或微观流变学。
1.1 流变学概论
1.1.3
3 根据工程应用分类
流变学的分类
聚合物流变学——研究对象为聚合物材料(聚合物固体、熔体和溶液) 生物流变学——研究对象为生物流体(如血液、粘液、关节液等)和生物物 质(如肌肉、心脏、膀胱、其它软组织、软骨等) 地质流变学——研究对象为岩石、地层等 石油工程流变学——研究对象为原油、天然气、钻井液、完井液、压裂 液、驱油剂、调剖剂 冶金流变学 土壤流变学 ……
1.1 流变学概论
1.1.4
1 基本概念 抵抗流动
流变学的研究内容和研究方法
外力
流体
流动
流变性能 内摩擦力（阻力）
规律性 流变现象 材料函数
流变模型 本构方程
数学模型
流变性
1.1 流变学概论
1.1.4
1 基本概念
流变学的研究内容和研究方法
流变现象 流变方程 或本构方程
是材料的流变性能的体现 在不同物理条件下(如温度、压力、湿度、辐射、电 磁场等)，以应力、应变和时间的物理变量来定量描 述材料的状态的方程 能够反映材料在力的作用下流动行为并通过仪器可 测定的时间和力等变量的函数
材料函数
1.1 流变学概论
1.1.4
2 研究内容 ① 对材料流变现象的研究 将实验中观察到的流动行为概括成一些可测量的材料函数（如粘度、 法向应力等） 研究测量原理和测量技术，并对材料函数进行测量。 ② 对材料的变形和流动规律研究 建立本构方程
流变学的研究内容和研究方法
反映材料力学特性与结构之间的关系；预示尚未观察到的流体行为。
个性化
多样化
1.1 流变学概论
1.1.4
2 研究内容 ③ 应用研究 ●筛选和研制工作液：流变性能是配方筛选的一个重要指标。
流变学的研究内容和研究方法
1.1 流变学概论
1.1.4
2 研究内容 ③ 应用研究 ●筛选和研制工作液：流变性能是配方筛选的一个重要指标。 ●确定工程中维持正常操作的工艺条件或范围:聚驱中确定注入速度、注 入段塞的大小等。 ●计算管路或地层中流动阻力：非牛顿流体输送管路的设计计算比牛顿流 体复杂得多。在计算之前首先判断特定的流体在特定的流动条件可用哪种流变 模型描述——是广义牛顿流体流变模型还是粘弹性流体流变模型？ 非牛顿流体管路输运的计算不能套用牛顿流体的公式，而必须运用流变学 的知识去寻找或建立新的公式。
流变学的研究内容和研究方法
1.1 流变学概论
1.1.4
3 研究方法 ① 实验方法 宏观试验：一般用粘度计或流变仪进行试验探求应力、应变与时间的 关系，研究流体的粘性和粘弹性 。 微观实验：通过它了解材料的微观结构性质，探讨流体流变的机制 。 ② 理论方法 运用连续介质力学研究材料对应力和应变的响应。 通过分子运动论，研究形变与结构的关系。
流变学的研究内容和研究方法
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.1 牛顿内摩擦定律
外力
流体
流动
抵抗流动
流变性能 内摩擦力（阻力）
规律性 流变现象 材料函数
流变模型 本构方程
数学模型
流变性
1.2 牛顿和非牛顿流体
1.2.1 1.稳态的简单剪切流动
所有流体沿平面(x方向)作一维流动； 不同流体层间具有不同的速度，且其速度随y的增大而增大。
牛顿内摩擦定律
y
,
x
1.2牛顿和非牛顿流体
1.2.1
2.牛顿内摩擦定律
(1)切应力对宏观流动的影响
①对较高速的层（分子、粒子）流动是阻力；阻滞高速层的流体。②对低速分子为动力；使速度较低的流体层加速。牛顿内摩擦定律
(2)内摩擦力产生的机理
①以不同速度运动的两层间分子热运动引起的动量交换;
②两层相邻的流体分子之间的附着力
1.2牛顿和非牛顿流体
1.2.1牛顿内摩擦定律
2.牛顿内摩擦定律
(5)数学描述
1686年，牛顿根据大量实验数据发现，许多流体在作平行直线运动时，相邻流体层之间的切应力与该处的剪切速率成线性关系，其流变本构方程为
τyx =ηγ&
x：切应力的作用方向动力粘度
牛顿内摩擦定律，通常又被称为牛顿本构方程
1.2牛顿和非牛顿流体
1.2.3
1. 流体的流变性
流体的流变性是流体的一种动力学特性，而不是单纯的物理特性。①流变性的意义和流体的分类流体所表现出来的流变性不仅与其组成、分子结构有关，而且与该流体所处的动力学条件有关。某些高分子溶液在低剪切速率下表现为牛顿流变性，而在中等剪切速率下则表现为拟塑性。②
③
行。 同一种介质，在不同的流动条件下，所表现出来的流变性也有对于流变性的认识，必须在某种特定的形变和流动条件下进可能不一样，需要用不同的流变本构方程来描述。
1.2牛顿和非牛顿流体
1.2.3
2.流体的分类流变性的意义和流体的分类
⎧无粘流体（帕斯卡流体） τ=0⎪⎪&⎪牛顿流体ηγ τ= （η=常数）⎪流体⎨&&粘性非牛顿流体 τ=η(γ) γ⎧⎪⎪⎪非牛顿流体⎨时变非牛顿流体 τ=η(γ&, t ) γ&⎪⎪粘 弹 性流&&体 L τ=γγγ f (, , t ) ⎪⎩⎩
1.3典型的流变现象
1.3.1
2.剪切稀释现象的例子
剪切稀释与剪切增稠
Boger(1977 )
Mills(1980)
0.4%
0.35%
Quemada(1978)
Macosko(1978)
1.3典型的流变现象
1.3.1
2.剪切稀释现象的例子
剪切稀释与剪切增稠
Masalova ( 2003) w/o型浓相乳状液94%
1.3
典型的流变现象
1.3.2
爬杆现象
Weissenberg于1944年在英国伦敦帝国学院发现，并于1946年首先解释的。
Weissenberg效应
水
水解聚丙烯酰胺（HPAM ）
——Weissenberg效应
1.3典型的流变现象
1.3.2
爬杆现象
Weissenberg于1944年在英国伦敦帝国学院发现，并于1946年首先解释的，称为Weissenberg 效应。
水
水解聚丙烯酰胺（HPAM ）
Weissenberg效应
合力
离心力合力
重力
重力
离心力
法向应力差
1.3
典型的流变现象
1.3.3
同心环空轴向流测压误差
同心环空轴向流
牛顿流体
非牛顿流体
牛顿流体——壁压pA = pB
高分子溶液——由于“法向应力”，p A > pB