1定義

英文譯名:Newtonian Fluid
牛頓流體是指在受力后極易變形,且切應力與變形速率成正比的低粘性流體。凡不同於牛頓流體的都
牛頓流體演示

  牛頓流體演示

稱為非牛頓流體。
牛頓內摩擦定律表達式:τ=μγ
式中:τ--所加的切應力;
γ--剪切速率(流速梯度);
μ--度量液體粘滯性大小的物理量,簡稱為黏度,物理意義是產生單位剪切速率所需要的剪切應力。
從流體力學的角度來說,凡是服從牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓流體,否則稱為非牛頓流體。
所謂服從內摩擦定律是指在溫度不變的條件下,隨著流速梯度的變化,μ值始終保持一常數。
水、酒精等大多數純液體、輕質油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體;高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。

2具體內容

任一點上的剪應力都同剪切變形速率呈線性函數關係的流體。最簡單的牛頓流體流動是二無限平板以相對速度U相互平行運動時,兩板間粘性流體的低速定常剪切運動(或庫埃特流動)。
1687年,I.牛頓首先做了最簡單的剪切流動實驗。他的實驗如圖所示。在平行平板之間充滿粘性流體,平板間距為d,下板B靜止不動,上板C以速度U在自己平面內等速平移。由於板上流體隨平板一起運動,因此附在上板的流體速度為U,附在下板的流體速度為零。實驗指出,兩板之間的速度分佈u(y)服從線性規律。作用在上板的力同板的面積、板的運動速度成正比,同間距d成反比。由此得出:  
,τ=μ*du/dy  (1)
式中τ為剪應力;du/dy為剪切變形速率;μ為流體動力粘性係數(即粘度)。這就是著名的牛頓粘性定律。凡是符合此定律的流體稱為牛頓流體,否則是非牛頓流體(見非牛頓流體力學)。 假設流體是各向同性的,應力張量和變形速率張量呈線性齊次函數關係,則它們之間的最一般線性關係式為:
pij=-ij+2μ(sij-δij)+μδij, (2)
式中pij為應力張量;pij=-ij+τij,P為各向同性壓力,τij為偏應力張量;sij為變形速率張量;為各向同性體積變形速率張量;δij為克羅內克符號;μ┡為膨脹粘性係數。式(2)就是廣義牛頓粘性定律的數學表達式。
公式(1)(2)是牛頓流體的重要標誌,也是確定流體流動時必不可少的本構方程。自然界中許多流體是牛頓流體,例如水、空氣等。
不論流體所受的力如何,流體都能繼續流動,例如,水就是一種牛頓流體,因為不管它攪拌得多快,它都能繼續表現出流體的性質。這與非牛頓流體不一樣,在非牛頓流體中,只要一攪拌,後面就會出現一個「洞」,或導致流體變得稀薄,黏度的下降使它流動得更多。對於牛頓流體來說,黏度只與溫度和壓強有關,與流體所受的力無關。

3分類

流體按壓縮性的大小分氣體和液體。氣體極易壓縮,亦稱稱為可壓縮流體;液體幾乎不可以壓縮,既稱為不可壓縮流體。
流體按變形特點又分為牛頓流體和非牛頓流體。

4非牛頓流體

許多液體包括聚合物的熔體和濃溶液,聚合物分散體系(如膠乳)以及填充體系等並不符合牛頓流動定律,這類液體統稱為非牛頓流體
(1)賓漢(Bingham)流體或塑性流體
特點:當切應力sτ小於某臨界值sy時,根本不流動,即γ=0
當sτ>sy時,才產生牛頓流動
流動方程:sτ-sy=h·γ
油漆、瀝青、大多數聚合物在良溶劑中的濃溶液屬於賓漢流體。
(2)假塑性體
表觀粘度:ha=sτ/γ
在流動曲線上為某一切速率γ下與原點相連直線的斜率。
聚合物在流動過程中除了產生分子鏈之間的不可逆粘性形變外,還產生高彈形變,表觀粘度不完全反映流體不可逆形變的難易程度,僅對其流動性的好壞作一個大致性相對的比較。表觀粘度大則流動性差。
冪律定律:sτ=Kγ
式中:K——稠度係數,是一種材料常數
n——流動指數或非牛頓指數
ha=Kγ
當n=1時,流動屬於牛頓型,K即為粘度;
當n不等於1時,n表示該流體與牛頓流體的偏離程度,故n稱為非牛頓指數;
當n<1時,屬假塑性體。
稠度或微分粘度:hc=dsτ/dγ流動曲線上任意點的斜率,為該切變速率下的稠度或微分粘度。
(3)脹塑體
特點:無屈服應力,一個無限小的剪切應力就能使其開始運動。其表觀粘度隨切變速率的增大而增大,故稱作切力增稠體。
非牛頓指數n>1
懸浮體和聚合物-填料
(4)依時性非牛頓流體
特點:指恆溫、恆γ情況下,粘度隨受剪時間而變化的流體。分觸變體和流凝體兩種。
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