第一篇：非牛頓流體-中國(guó)流變網(wǎng)

流變學(xué)簡(jiǎn)介

流變學(xué)是一門(mén)介于力學(xué)、化學(xué)、物理與工程科學(xué)之間的新興交叉學(xué)科,是物理學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究材料在外界作用(應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、輻射等)下的變形和流動(dòng)的科學(xué)。這里所說(shuō)的材料既包括流體形態(tài)，也包括固體形態(tài)的物質(zhì)。在常溫常壓下，物質(zhì)可分為固體、液體和氣體三種狀態(tài)；特殊情況下，還有等離子態(tài)和超固態(tài)。氣體和液體又合稱(chēng)為流體。

從力學(xué)分析的角度，通常認(rèn)為流體與固體的主要差別，在于它們對(duì)于外力的抵抗能力不同。固體有能力抵抗一定大小的拉力、壓力和剪切力。當(dāng)外力作用在固體上時(shí)，固體將產(chǎn)生一定程度的相應(yīng)變形。固體靜止時(shí)，可以有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。而流體在靜止時(shí)，則不能承受切向應(yīng)力，微小的剪切刀將使流體產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。只有當(dāng)剪切力停止作用時(shí)，流體的變形方會(huì)停止。流體這種在外力作用下連續(xù)不斷變形的宏觀性質(zhì)，通常稱(chēng)為流動(dòng)性。

虎克彈性固體力學(xué)

一般認(rèn)為，英國(guó)物理學(xué)家虎克于1678年首先提出了，在小變形情況下，固體的變形與所受的外力成正比。這一彈性體變形與應(yīng)力關(guān)系的基本規(guī)律，后來(lái)稱(chēng)為虎克定律。

牛頓流體力學(xué)

英國(guó)科學(xué)家牛頓在1687年最先提出了流體的應(yīng)力和應(yīng)變率成正比，后來(lái)將此稱(chēng)為牛頓黏性定律，并將符合這一規(guī)律的流體稱(chēng)為牛頓流體，其中包括最常見(jiàn)的流體—水和空氣，而將不符合這一規(guī)律的流體稱(chēng)為非牛頓流體。

上述兩定律是在17世紀(jì)發(fā)表的，但直到19世紀(jì)末才由柯西、納維、斯托克斯等人推廣到三維變形和流動(dòng)，并為科學(xué)界廣泛接受。從那以后，虎克彈性固體力學(xué)和牛頓流體力學(xué)隨著它在許多工程分支學(xué)科中的應(yīng)用，而得到巨大的發(fā)展。但是流變學(xué)通常并不包括對(duì)上述兩種情況的研究，流變學(xué)要研究更加復(fù)雜的材料。

流變學(xué)的誕生

1928年雷納應(yīng)邀從巴勒斯坦到美國(guó)訪問(wèn)，與印地安納州Lafayette學(xué)院的賓漢（Bingham E C 1878～1945）教授一起工作。賓漢對(duì)雷納說(shuō)，我（一個(gè)化學(xué)家）和你（一個(gè)土木工程師），一起工作解決共同的問(wèn)題，隨著膠體化學(xué)的發(fā)展，這種工作方式將會(huì)變得很平常，因此需要建立一個(gè)物理學(xué)科的分支來(lái)處理這類(lèi)問(wèn)題。雷納告訴賓漢，這樣的分支是存在的，并且作為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)而被人們所認(rèn)識(shí)。賓漢認(rèn)為這樣做不好，會(huì)嚇跑化學(xué)家，需要給它起一個(gè)新的名字。

賓漢請(qǐng)教了一位擔(dān)任古典文學(xué)教授的同事，根據(jù)公元前6世紀(jì)古希臘哲學(xué)家赫拉克利特（Heraclitus）“一切皆流”的說(shuō)法，提出了“流變學(xué)”（Rheology）這個(gè)名字。Rheo一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)Rheos（流動(dòng)）之意。Rheology的中文譯名沒(méi)有簡(jiǎn)單地譯成流動(dòng)學(xué)，而是創(chuàng)造性地譯成流變學(xué)，既有流動(dòng)，又有變形。

賓漢于1928年在美國(guó)提議成立了流變學(xué)會(huì)（Rheological Society），研究材料的變形和流動(dòng)。1929年召開(kāi)了流變學(xué)會(huì)的第一次會(huì)議，并創(chuàng)辦了《流變學(xué)雜志》。

這個(gè)流變學(xué)雜志，在1933年后曾停止出版；1957年作為《Transactions of Society of Rheology》重新出版；1978年又恢復(fù)其最初的名字《流變學(xué)雜志》（Journal of Rheology）。

賓漢是流變學(xué)的奠基人。他研究了懸膠、油漆、水泥等一些材料的流變特性，寫(xiě)了一系列論文，特別是在1919年和H.格林聯(lián)合發(fā)表的論文“油漆是一種塑性材料而不是黏性流體”，該文指出，油漆在剪切應(yīng)力較小時(shí)，剪切應(yīng)變率為零（或不發(fā)生流動(dòng)），只有在剪切應(yīng)力超達(dá)過(guò)臨界值（即屈服應(yīng)力）時(shí)，才發(fā)生流動(dòng)，這時(shí)應(yīng)變率和應(yīng)力與屈服應(yīng)力之差成正比。后來(lái)人們將具有這種流變規(guī)律或本構(gòu)關(guān)系的材料或物質(zhì)，稱(chēng)為黏塑性材料或賓漢塑性材料（簡(jiǎn)稱(chēng)賓漢體）。Eg:除油漆外，石膏、懸膠、面粉團(tuán)，水泥砂漿等均可作為賓漢體來(lái)處理。圣維南的塑性流動(dòng)材料和牛頓流體，均可作為賓漢體的特殊情況，前者的流動(dòng)速度為零，后者的屈服應(yīng)力為零。

直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)以前，美國(guó)流變學(xué)會(huì)仍是世界上唯一的流變學(xué)會(huì)。1939年，荷蘭皇家科學(xué)院成立了以J.M.伯格斯為首的流變學(xué)小組。1940年，英國(guó)成立了流變學(xué)家俱樂(lè)部。

1945年12月國(guó)際科學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Council of Scientific Unions）組織了一個(gè)流變學(xué)委員會(huì)。1947年在馮卡門(mén)主席的主持下舉行了第一次會(huì)議，代表們來(lái)自物理、化學(xué)、生物科學(xué)、大地測(cè)量、空氣物理、理論和應(yīng)用力學(xué)的國(guó)際聯(lián)合會(huì)。委員會(huì)的職能是：對(duì)流變學(xué)的專(zhuān)門(mén)名詞進(jìn)行命名；對(duì)流變學(xué)的論文進(jìn)行摘要；組織國(guó)際流變學(xué)會(huì)議等。1968年前，國(guó)際流變學(xué)會(huì)議每5年舉行一次。1968年以后，每4年舉行一次。第15屆國(guó)際流變學(xué)會(huì)議是2008年8月在美國(guó)舉行的。

1973年國(guó)際流變學(xué)委員會(huì)被接納為國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)的分支機(jī)構(gòu)。1974年國(guó)際流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)被接納為國(guó)際理論和應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)的分支機(jī)構(gòu)。

流變學(xué)的研究對(duì)象

流動(dòng)的固體—流變學(xué)的研究對(duì)象之一

流動(dòng)的固體，是指彈性形變與黏性流動(dòng)同時(shí)存在的物體。“彈性形變”是指短暫的、能恢復(fù)原狀的形變。而“黏性流動(dòng)”是指持續(xù)的、不能恢復(fù)原狀的形變，它也被稱(chēng)為“流變”。過(guò)去一般談固體時(shí)，是指只有彈性形變的物體；談到流體時(shí)，是指只有黏性流動(dòng)的流體。實(shí)際上，同時(shí)具有這兩種性質(zhì)的物體是很多的。用鋼棒和瀝青棒作如下的實(shí)驗(yàn)：將鋼捧放在兩支點(diǎn)上，棒的正中間放一重物，此時(shí)鋼棒彎了；當(dāng)重物取走時(shí)，彎曲了的鋼棒能完全恢復(fù)原狀如下圖a。鋼棒此時(shí)是彈性形變。將瀝青棒放到兩支點(diǎn)上，如下圖b那樣，中間也放一重物。重物放置一段時(shí)間后取走，瀝青捧稍恢復(fù)了一點(diǎn)，但并沒(méi)恢復(fù)原狀，還是彎的。這里的瀝青棒，除有彈性形變外，己有了流變。如在瀝青棒中間用手快速按一下，抬起手后，它能恢復(fù)原狀，表現(xiàn)出很好的彈性。但若手按下較長(zhǎng)時(shí)間再抬起，就己不能恢復(fù)原狀。同是一根瀝青捧，迅速按一下，它是彈性體；較長(zhǎng)時(shí)間地按，又顯現(xiàn)有流體的性質(zhì)。

實(shí)際上很多物體，當(dāng)外力作用的時(shí)間小于某一時(shí)間時(shí)，物體表現(xiàn)出彈性；當(dāng)外力作用的時(shí)間大于這一時(shí)間，物體就會(huì)流變。這個(gè)時(shí)間就叫做物體的“緩和時(shí)間”。“緩和時(shí)間”是一個(gè)時(shí)間閾值，當(dāng)外力作用時(shí)間超過(guò)此閾值時(shí)，物體的彈性就會(huì)“緩和”而產(chǎn)生流變。彈性體與流體之所以不同，也可認(rèn)為只是其緩和時(shí)間不同而已。緩和時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)的物體，是理想的彈性體；緩和時(shí)間等于零的物體是理想的流體。具有彈性和黏性混合性質(zhì)的物體，其緩和時(shí)間既不為零，也不是無(wú)窮大，它們就是可流動(dòng)的固體，或者是有彈性的流體。

固體表現(xiàn)出流動(dòng)的性質(zhì)，除了外力作用時(shí)間的因素外，還有溫度的因素。當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，大部分物體都會(huì)要流變，表現(xiàn)出流體的性質(zhì)。

現(xiàn)代工業(yè)需要耐高溫、耐蠕變的高質(zhì)量的金屬、合金、陶瓷和高強(qiáng)度的聚合物，因此與固體蠕變斷裂有關(guān)的流變學(xué)分支會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)。核工業(yè)中核反應(yīng)堆和粒子加速器的發(fā)展，也為研究幅射產(chǎn)生的流變打開(kāi)了新的領(lǐng)域。

在地球科學(xué)中，人們很早就知道時(shí)間過(guò)程這一重要因素。當(dāng)觀察地質(zhì)斷面時(shí)，可以看到巖石有皺紋的褶曲結(jié)構(gòu)，這是巖石在流動(dòng)的證據(jù)。在幾億年的地質(zhì)年代里，巖層受著橫向的力而流變成褶曲形狀。在江西廬山蘆林橋附近，有一處“第四紀(jì)冰川遺跡”,己立碑成為向旅游者展示巖石也在流動(dòng)的景點(diǎn)。有人曾測(cè)量計(jì)算過(guò)冰川的黏性，大約是混凝土的100萬(wàn)倍；而混凝土的黏性，大約是水的100億倍。可見(jiàn)無(wú)論冰川是多么“黏”，多么難于流動(dòng)，經(jīng)過(guò)了幾千年、幾萬(wàn)年，終究還是在慢慢地向下流動(dòng)著。流變學(xué)為研究上地殼中有趣的地球物理現(xiàn)象（如冰川期以后的上升、層狀巖層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等）提供了物理-數(shù)學(xué)工具。對(duì)于地球內(nèi)部的過(guò)程，如巖漿活動(dòng)、地幔熱對(duì)流等，也可利用高溫、高壓巖石流變?cè)囼?yàn)來(lái)模擬，從而推動(dòng)了地球動(dòng)力學(xué)的研究。

自然界中整個(gè)地質(zhì)年代里的蠕變，巖石的流動(dòng)尚在繼續(xù)中

非牛頓流體—流變學(xué)的研究對(duì)象之二

非牛頓流體是指不滿(mǎn)足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。

絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。

近幾十年以來(lái)，促使非牛頓流體研究迅速發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ唬蔷酆衔锕I(yè)的發(fā)展。絕大多數(shù)聚合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酰、尼龍

6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。

石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、磁漿、油漆、油墨、牙膏、泡沫、液晶、泥石流、地幔、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、感光材料的涂液、高含沙水流等都是非牛頓流體。

在食品工業(yè)中，蛋清、煉乳、瓊脂、果醬、醬油、土豆?jié){、番茄汁、淀粉液、蘋(píng)果漿、濃菜湯、糖稀、熔化巧克力、面團(tuán)、米粉團(tuán)以及魚(yú)糜、肉糜等各種糜狀食品物料，也都是非牛頓流體。

總之，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián)體系、懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體，差不多都是非牛頓流體。有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液、新型潤(rùn)滑劑等。

現(xiàn)在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的流體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱(chēng)為軟物質(zhì)。非牛頓流體有許多奇妙的特性，如射流脹大、無(wú)管虹吸、剪切變稀、拔絲、湍流減阻等，其中有一個(gè)使人感興趣的特性，就是部分非牛頓流體具有彈性，亦稱(chēng)為黏彈性流體。當(dāng)旋轉(zhuǎn)桿插入黏彈性流體時(shí)，流體將沿桿向上爬，液面呈凸形。

中國(guó)的流變學(xué)研究

中國(guó)最早從事流變學(xué)研究工作的可能是地質(zhì)力學(xué)家。第一本翻譯成中文的流變學(xué)書(shū)籍，是雷納的《理論流變學(xué)講義》，是由中國(guó)科學(xué)院巖體土力學(xué)研究所的6位研究人員于1965年合譯出版的。

1978年制定全國(guó)力學(xué)發(fā)展規(guī)劃時(shí)，認(rèn)為流變學(xué)是必須重視和加強(qiáng)的薄弱領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)流變會(huì)議

1985年中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)與中國(guó)化學(xué)會(huì)聯(lián)合成立了流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，并在湖南長(zhǎng)沙召開(kāi)了第一屆全國(guó)流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議。經(jīng)中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)批準(zhǔn)，中國(guó)流變學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)對(duì)外稱(chēng)為“中國(guó)流變學(xué)會(huì)”，第一屆的主任委員是北京大學(xué)教授、英藉華人科學(xué)家陳文芳。第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議有來(lái)自高等院校、研究和生產(chǎn)部門(mén)的178位代表參加，提交了125篇研究論文。會(huì)后由學(xué)術(shù)期刊出版社出版了《流變學(xué)進(jìn)展─中國(guó)化學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)第一屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議論文集》，收入115篇論文，按內(nèi)容分別列為專(zhuān)題評(píng)論、非牛頓流體力學(xué)、聚合物熔體、聚合物溶液、黏彈性和固體力學(xué)、分散體系、生物醫(yī)學(xué)物質(zhì)、聚合物加工、流變測(cè)量法等9章，反映了當(dāng)時(shí)中國(guó)流變學(xué)研究的狀況。

1987年在成都召開(kāi)了第二屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，并開(kāi)始使用中國(guó)流變學(xué)會(huì)的會(huì)徽。

1990年在上海，1993年在廣州，1996年在北京，1999年在武漢，2002年在廊坊，2006年在濟(jì)南，2008年在長(zhǎng)沙，分別召開(kāi)了第3至9屆全國(guó)流變學(xué)會(huì)議，每屆會(huì)議均正式出版了會(huì)議論文集。

1995年在上海、1997年在西安、2000年在合肥召開(kāi)的電-磁流變學(xué)全國(guó)會(huì)議。

國(guó)內(nèi)召開(kāi)的國(guó)際流變會(huì)議

1991年10月,在北京還召開(kāi)了“中日國(guó)際流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議”。

1997年9月,受?chē)?guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUTAM）委托，在北京召開(kāi)了“帶缺陷物體流變學(xué)科學(xué)研討會(huì)”。

2005年,在上海召開(kāi)了第四屆泛太平洋地區(qū)國(guó)際流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議（PRCR4）。這三次國(guó)際會(huì)議也都出版了論文集。

從這段流變學(xué)產(chǎn)生的簡(jiǎn)史可以看出，流變學(xué)從一開(kāi)始就是由于工程實(shí)際的需要，從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和膠體化學(xué)的邊緣上生長(zhǎng)出來(lái)的新興交叉學(xué)科，它不但從一開(kāi)始就溝通了力學(xué)和化學(xué)這兩個(gè)一級(jí)學(xué)科，而且在力學(xué)中也溝通了流體力學(xué)和固體力學(xué)這兩個(gè)二級(jí)學(xué)科。

流變學(xué)是溝通流體力學(xué)和固體力學(xué)的學(xué)科

反映物質(zhì)或材料物理性質(zhì)之間的關(guān)系式，統(tǒng)稱(chēng)為本構(gòu)方程（或本構(gòu)關(guān)系或狀態(tài)方程）。在固體力學(xué)中，本構(gòu)方程一般專(zhuān)指應(yīng)力張量與應(yīng)變張量之間的關(guān)系。在流體力學(xué)中，本構(gòu)方程是指應(yīng)力張量與應(yīng)變率張量之間的關(guān)系。

固體流變學(xué)

對(duì)于固體，人們已認(rèn)識(shí)到同時(shí)體現(xiàn)彈性形變和黏性流變的材料，是黏彈性材料。材料的黏彈性又可分為線性和非線性?xún)纱箢?lèi)。若材料兼有塑性和黏性的性質(zhì)，則稱(chēng)為黏塑性材料，對(duì)于聚合物和一定條件下的金屬往往需要考慮其黏塑性。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，黏彈性材料呈塑性變形，或物體在彈性變形過(guò)程和塑性階段均具有黏性效應(yīng)，則稱(chēng)這種材料為黏彈塑性材料。許多作者己在研究工作中討論和使用黏彈性、黏塑性和黏彈塑性的本構(gòu)方程，這實(shí)際上己突破經(jīng)典的固體力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)入了固體流變學(xué)的領(lǐng)域。

在固體力學(xué)研究中，因要深入研究材料的破壞機(jī)理，還要類(lèi)似流體力學(xué)，對(duì)固體材料考慮應(yīng)變率，研究其動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

流體流變學(xué)

流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，在20世紀(jì)中期之后已有了很大的轉(zhuǎn)變。在石油、化工、能源、材料、生物工程和環(huán)保等領(lǐng)域所遇到的流體，已常是非牛頓流體。由于非牛頓流體涉及許多工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的工藝、設(shè)備、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來(lái)越受到力學(xué)工作者的重視。

流變學(xué)是力學(xué)在20世紀(jì)與化學(xué)、物理、工程科學(xué)交叉發(fā)展的新興學(xué)科。中國(guó)許多力學(xué)工作者的工作實(shí)際上己涉足流變學(xué)的研究領(lǐng)域，但由對(duì)流變學(xué)缺乏了解，而又未意識(shí)到，因此也就未能從與工程科學(xué)密切聯(lián)系又正蓬勃發(fā)展的流變學(xué)中吸取營(yíng)養(yǎng)。力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵之一，在于與各個(gè)學(xué)科及工程領(lǐng)域相結(jié)合，流變學(xué)正是這樣一個(gè)有生命力的重要研究領(lǐng)域。[參考文獻(xiàn)] 1.王 振 東,1999年11月在武漢華中科技大學(xué)召開(kāi)的第六屆全國(guó)流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上的大會(huì)報(bào)告，后發(fā)表于《力學(xué)與實(shí)踐》2001年23卷4期

2.中國(guó)流變網(wǎng)論壇

第二篇：科普作文：非牛頓流體

科普作文：非牛頓流體

非牛頓流體

了一種神奇的液體，這令我又驚訝有開(kāi)心。

這種液體叫“非牛頓流體”，這種液體是由淀粉，水，硬質(zhì)小球，兩容器，一表面光滑的長(zhǎng)棍，一中空導(dǎo)管，還有一碟一碗一杯一筷子所制造出來(lái)的。非牛頓流體力學(xué)是由流變學(xué)發(fā)展起來(lái)的研究非牛頓流體應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系和非牛頓流體流動(dòng)問(wèn)題的分支學(xué)科。非牛頓流體是剪應(yīng)力和剪切變形速率之間不滿(mǎn)足線性關(guān)系的流體。是指不滿(mǎn)足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。絕大多數(shù)生>物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果對(duì)它的壓力大，就會(huì)立刻變成固體；你對(duì)它的壓力小，就會(huì)變成液體。我們通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明我陳述的：把 一根棒球棍立在一個(gè)裝滿(mǎn)非牛頓流體的池子里，要把棒球棍拿起來(lái)必須輕輕地拿，否則的話就會(huì)像爬山虎一樣纏著棒球棍。

另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是保護(hù)雞蛋。把非牛頓流體裝在一個(gè)袋子里，里面再裝一個(gè)雞蛋，然后從一個(gè)四米高的高臺(tái)上扔到地上，雞蛋竟然沒(méi)有碎，這是為什么呢？因?yàn)閺牡厣先酉聛?lái)的那一霎那，非牛頓流體變成固體，由此保護(hù)著雞蛋，神奇吧！

第三篇：非牛頓流體及其奇妙特性

非牛頓流體及其奇妙特性

王 振 東

現(xiàn)在去醫(yī)院作血液測(cè)試的項(xiàng)目之一，己不再是“血黏度檢查”，而是“血液流變學(xué)撿查”（簡(jiǎn)稱(chēng)血流變），為什么會(huì)有這樣的變化呢？這就要從非牛頓流體談起。

斯托克斯1845年在牛頓這一實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，作了應(yīng)力張量是應(yīng)變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性及流體靜止時(shí)應(yīng)變率為零的三項(xiàng)假設(shè)，從而導(dǎo)出了廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)研究的線性本構(gòu)方程，以及被廣泛應(yīng)用的納維-斯托克斯方程（簡(jiǎn)稱(chēng)：納斯方程）。

后來(lái)人們?cè)谶M(jìn)一步的研究中知道，牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律（以及在此基礎(chǔ)上建立的納斯方程），對(duì)于描述像水和空氣這樣低分子量的簡(jiǎn)單流體是適合的，而對(duì)描述具有高分子量的流體就不合適了，那時(shí)剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再滿(mǎn)足線性關(guān)系。

為區(qū)別起見(jiàn)，人們將剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿(mǎn)足線性關(guān)系的流體稱(chēng)為牛頓流體，而把不滿(mǎn)足線性關(guān)系的流體稱(chēng)為非牛頓流體。因?yàn)閷?duì)血液而言，剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間己不再是線性關(guān)系，己無(wú)法只測(cè)一個(gè)點(diǎn)，給出斜率（即黏度）來(lái)說(shuō)明血液的力學(xué)特性，只好作血流變學(xué)測(cè)試，測(cè)三個(gè)點(diǎn)，給出剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間的非線性曲線關(guān)系。

形形色色的非牛頓流體

早在人類(lèi)出現(xiàn)之前，非牛頓流體就己存在，因?yàn)榻^大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”，都屬于非牛頓流體。

近幾十年來(lái)，促使非牛頓流體研究迅速開(kāi)展的主要?jiǎng)恿χ唬蔷酆衔锕I(yè)的發(fā)展。聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龍

6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。

石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。

非牛頓流體在食品工業(yè)中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋(píng)果漿、菜湯、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團(tuán)、米粉團(tuán)、以及魚(yú)糜、肉糜等各種糜狀食品物料。

綜上所述，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，常遇到的各種高分子溶液、熔體、膏體、凝膠、交聯(lián)體系、懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體，差不多都是非牛頓流體。有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)，也將其變成為非牛頓流體，如為提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液、新型潤(rùn)滑劑等。

現(xiàn)在也有人將血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體，牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物（聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠等）溶液等非牛頓流體，稱(chēng)為軟物質(zhì)。

非牛頓流體的奇妙特性及應(yīng)用

射流脹大

如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器，流進(jìn)一根毛細(xì)管，再?gòu)拿?xì)管流出時(shí)，可發(fā)現(xiàn)射流的直徑比毛細(xì)管的直徑大。射流的直徑與毛細(xì)管直徑之比，稱(chēng)為模片脹大率（或稱(chēng)為擠出物脹大比）。對(duì)牛頓流體，它依賴(lài)于雷諾數(shù)，其值約在0.88～1.12之間。而對(duì)于高分子熔體或濃溶液，其值大得多，甚至可超過(guò)10。一般來(lái)說(shuō)，模片脹大率是流動(dòng)速率與毛細(xì)管長(zhǎng)度的函數(shù)。

模片脹大現(xiàn)象，在口模設(shè)計(jì)中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時(shí)，管截面長(zhǎng)邊處的脹大，比短邊處的脹大更加顯著。尤其在管截面的長(zhǎng)邊中央脹得最大。因此，如果要求生產(chǎn)出的產(chǎn)品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是四邊中間都凹進(jìn)去的形狀。

這種射流脹大現(xiàn)象，也叫Barus效應(yīng)，或Merrington效應(yīng)。

奶酪生產(chǎn)情景：奶酪從管中流出后馬上脹大

爬桿效應(yīng)

1944年Weissenberg在英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院，公開(kāi)表演了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在一只盛有黏彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)桿。對(duì)于牛頓流體，由于離心力的作用，液面將呈凹形；而對(duì)于黏彈性流體，卻向杯中心流動(dòng)，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實(shí)驗(yàn)桿旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，也可以觀察到這一現(xiàn)象。

爬桿效應(yīng)也稱(chēng)為Weissenberg效應(yīng)。在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。同樣，在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí)，也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng)。

爬桿效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：左為牛頓流體，右為黏彈性流體

無(wú)管虹吸

對(duì)于牛頓流體來(lái)說(shuō)，在虹吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會(huì)停止。但對(duì)高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和百分之一的POX水溶液，或聚醣在水中的輕微凝肢體系等，都很容易表演無(wú)管虹吸實(shí)驗(yàn)。將管子慢慢地從容器撥起時(shí)，可以看到雖然管子己不再插在液體里，液體仍源源不斷地從杯中抽出，繼續(xù)流進(jìn)管里。甚至更簡(jiǎn)單些，連虹吸管都不要，將裝滿(mǎn)該液體的燒杯微傾，使液體流下，該過(guò)程一旦開(kāi)始，就不會(huì)中止，直到杯中液體都流光。這種無(wú)管虹吸的特性，是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ)。

無(wú)管缸吸：對(duì)于化纖生產(chǎn)有重要意義

湍流減阻

非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質(zhì)，是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯著的壓差降。湍流一直是困擾理論物理和流體力學(xué)界未解決的難題。然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應(yīng)。有人報(bào)告：在加入高聚物添加劑后，測(cè)得猝發(fā)周期加大了，認(rèn)為是高分子鏈的作用。

湍流減阻

減阻效應(yīng)也稱(chēng)為T(mén)oms效應(yīng)，雖然其道理尚未弄得很清楚，卻己有不錯(cuò)的應(yīng)用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車(chē)龍頭噴出的水的揚(yáng)程提高一倍以上。應(yīng)用高聚物添加劑，還能改善氣蝕發(fā)生過(guò)程及其破壞作用。

湍流減阻：在同樣動(dòng)力下兩幅消防水龍頭噴水圖 上圖為未添加聚乙烯氧化物的情形 下圖為添加聚乙烯氧化物后的情形

非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質(zhì)外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如拔絲性（能拉伸成極細(xì)的細(xì)絲，可見(jiàn)“春蠶到死絲方盡”一文），剪切變稀（可見(jiàn)“腱鞘囊腫治愈記”一文），連滴效應(yīng)（其自由射流形成的小滴之間有液流小桿相連），液流反彈等。

由于非牛頓流體涉及許多工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的工藝、設(shè)備、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來(lái)越受到科學(xué)工作者的重視。1996年8月在日本京都國(guó)際會(huì)議中心，召開(kāi)的第19屆國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)大會(huì)（IUTAM）上，非牛頓流體流動(dòng)是大會(huì)的6個(gè)重點(diǎn)主題之一，也是流體力學(xué)方面參與最踴躍的主題。Grochet邀請(qǐng)報(bào)告的觀點(diǎn)是，高分子溶液和熔體的特性遠(yuǎn)異于牛頓流體，并認(rèn)為對(duì)這些異常特性的研究，都是帶有挑戰(zhàn)性的課題。

（原刊登于《力學(xué)與實(shí)踐》1998年20卷1期）

第四篇：力學(xué)話趣-奇妙的非牛頓流體

本文首刊于《力學(xué)與實(shí)踐》1998, 20(1): 72-74

奇妙的非牛頓流體

王振東

(天津大學(xué)力學(xué)系，天津 300072)

牛頓1687年發(fā)表了以水為工作介質(zhì)的一維剪切流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)是在兩平行平板間充滿(mǎn)水時(shí)進(jìn)行的(圖1)，下平板固定不動(dòng)，上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)附于上下平板的流體質(zhì)點(diǎn)的速度分別為U和0，兩平板間的速度呈線性分布。由此得到了著 名的牛頓粘性定律

式中，τ是作用在上平板流體平面上的剪應(yīng)力，du/dy是剪切應(yīng)變率，斜率μ是粘度系數(shù)。

斯托克斯1845年在牛頓這一實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，作了應(yīng)力張量是應(yīng)變率張量的線性函數(shù)、流體各向同性、流體靜止時(shí)應(yīng)變率為零的三

項(xiàng)假設(shè)，從而導(dǎo)出了廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)研究的線性本構(gòu)方程，以及現(xiàn)被廣泛應(yīng)用的納維－斯托克斯方程。

后來(lái)人們?cè)谶M(jìn)一步的研究中知道，牛頓粘性實(shí)驗(yàn)定律(以及在此基礎(chǔ)上建立的納－斯方程)對(duì)于描述像水和空氣這樣低分子量的流體

是適合的，而對(duì)描述具有高分子量的流體就不合適了，那時(shí)剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間已不再滿(mǎn)足線性關(guān)系。為區(qū)別起見(jiàn)，人們將剪應(yīng)力與

剪切應(yīng)變率之間滿(mǎn)足線性關(guān)系的流體稱(chēng)為牛頓流體，而把不滿(mǎn)足線性關(guān)系的流體稱(chēng)為非牛頓流體。形形色色的非牛頓流體

早在人類(lèi)出現(xiàn)之前，非牛頓流體就已存在，因?yàn)榻^大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體[1]。人身上的血液、淋巴液、囊

液等多種體液以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。現(xiàn)在去醫(yī)院作血液測(cè)試的項(xiàng)目之一，已不再說(shuō)是“血粘度檢查”，而是

“血液流變學(xué)檢查”(簡(jiǎn)稱(chēng)血流變)，這就是因?yàn)閷?duì)血液而言，剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不再是線性關(guān)系，已無(wú)法只給出一個(gè)斜率(即粘度)來(lái)說(shuō)明血液的力學(xué)特性。

近幾十年來(lái)，促使非牛頓流體研究迅速開(kāi)展的主要?jiǎng)恿χ皇蔷酆衔锕I(yè)的發(fā)展。聚乙烯，聚丙烯酰氨，聚氯乙烯，尼龍6，PVS，賽

璐珞，滌綸，橡膠溶液，各種工程塑料，化纖的熔體、溶液等都是非牛頓流體。

石油，泥漿，水煤漿，陶瓷漿，紙漿，油漆，油墨，牙膏，家蠶絲再生溶液，鉆井用的洗井液和完井液，磁漿，某些感光材料的涂液，泡沫，液晶，高含沙水流，泥石流，地幔等也都是非牛頓流體。

非牛頓流體在食品工業(yè)中也很普遍[2]，如番茄汁，淀粉液，蛋清，蘋(píng)果漿，菜湯，濃糖水，醬油，果醬，煉乳，瓊脂，土豆?jié){，熔

化巧克力，面團(tuán)，米粉團(tuán)，以及魚(yú)糜、肉糜等各種糜狀食品物料。

綜上所述，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的各種高分子溶液，熔體，膏體，凝膠，交聯(lián)體系，懸浮體系等復(fù)雜性質(zhì)的流體，差不多

都是非牛頓流體。有時(shí)為了工業(yè)生產(chǎn)的目的，在某種牛頓流體中，需加入一些聚合物，在改進(jìn)其性能的同時(shí)也將變成為非牛頓流體，如為 提高石油產(chǎn)量使用的壓裂液，新型潤(rùn)滑劑等。非牛頓流體的奇妙特性及應(yīng)用

2.1 射流脹大

如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器流進(jìn)一根毛細(xì)管，再?gòu)拿?xì)管流出時(shí)，可發(fā)現(xiàn)射流的直徑比毛細(xì)管的直徑大（圖2）。射流直徑與毛

細(xì)管直徑之比稱(chēng)為模片脹大率（亦稱(chēng)為擠出物脹大比）。對(duì)牛頓流體，它依賴(lài)于雷諾數(shù)，其值約在0.88～1.12間。而對(duì)于高分子熔體或濃溶

液，其值大得多，甚至可超過(guò)10。一般來(lái)說(shuō)，模片脹大率是流動(dòng)速率與毛細(xì)管長(zhǎng)度的函數(shù)。

模片脹大現(xiàn)象在口模設(shè)計(jì)中十分重要。聚合物熔體從一根矩形截面的管口流出時(shí)，管截面長(zhǎng)邊處的脹大比短邊處的脹大更加顯著，在 管截面的長(zhǎng)邊中央脹得最大（圖3）。因此，如果要求產(chǎn)品的截面是矩形的，口模的形狀就不能是矩形，而必須是像圖4所示的那種形狀。

這種射流脹大現(xiàn)象也叫Barus效應(yīng)或Merrington效應(yīng)。

2.2 爬桿效應(yīng)

1944年Weissenberg在英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院公開(kāi)表演了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)。在一只有粘彈性流體（非牛頓流體的一種）的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實(shí)

驗(yàn)桿。對(duì)于牛頓流體，由于離心力驗(yàn)的作用，液面將呈凹形（圖5(a))；而對(duì)于粘彈性流體，卻向杯中心運(yùn)動(dòng)，并沿桿向上爬，液面變成凸形

(圖5(b))。甚至在實(shí)驗(yàn)桿的旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，也可以觀察到這一現(xiàn)象。

爬桿效應(yīng)也稱(chēng)為Weissenberg效應(yīng)。在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。同樣在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí)，也應(yīng)考慮和利 用這一效應(yīng)。

2.3 無(wú)管虹吸

對(duì)牛頓流體來(lái)說(shuō)，在虹吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果將虹吸管提離液面，虹吸馬上就會(huì)停止。但對(duì)高分子液體，如聚異丁烯的汽油溶液和1%POX水溶

液，或聚醣在水中的輕微凝膠體系等很容易表演無(wú)管虹吸實(shí)驗(yàn)。將管子慢慢地從容器里拔起時(shí)，可以看到雖然管子已不再插在流體里，流

體仍源源不斷地從杯中抽起，繼續(xù)流進(jìn)管里（圖6）。甚至更簡(jiǎn)單地，連虹吸管都不要，將裝滿(mǎn)該流體的燒杯微傾，使流體流下，這過(guò)程一

旦開(kāi)始，就不會(huì)中止，直到杯中流體都流光（圖7）。這種無(wú)管虹吸的特性是合成纖維具備可紡性的基礎(chǔ)。

2.4 湍流減阻

非牛頓流體顯示出的另一奇妙性質(zhì)是湍流減阻。人們觀察到，如果在牛頓流體中加入少量的聚合物，則在給定的速率下，可以看到顯

著的壓差降。圖8給出了兩種不同濃度的聚乙烯的氧化物溶液的管摩擦系數(shù)f對(duì)于雷諾數(shù)R的關(guān)系曲線。湍流一直是困擾流體力學(xué)界未解決的

難題，然而在牛頓流體中加入少量高聚物添加劑，卻出現(xiàn)了減阻效應(yīng)。有人報(bào)告在加入高聚物添加劑后，測(cè)得猝發(fā)周期加大了，認(rèn)為是高分 子鏈的作用。

減阻效應(yīng)也稱(chēng)為T(mén)oms效應(yīng)，雖然道理并未弄得很清楚，但已有不錯(cuò)的應(yīng)用。在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車(chē)龍頭噴出的水 的揚(yáng)程提高一倍以上。應(yīng)用高聚物添加劑還能改變氣蝕發(fā)生過(guò)程及其破壞作用。

非牛頓流體除具有以上幾種有趣的性質(zhì)外，還有其他一些受到人們重視的奇妙特性，如連滴效應(yīng)(其自由射流形成的小滴之間有液流小桿

相連)，拔絲性(能拉伸成極細(xì)的細(xì)絲，可見(jiàn)筆者另一文“春蠶到死絲方盡”[3])，剪切變稀，液流反彈等，有興趣的讀者可從有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步 了解[4]。

由于非牛頓流體涉及許多工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)的工藝、設(shè)備、效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也涉及人本身的生活和健康，所以越來(lái)越受到科學(xué)工作者的重視。1996年8月在日本京都國(guó)際會(huì)議中心召開(kāi)的第19屆國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)大會(huì)(IUTAM)上，非牛頓流體流動(dòng)是大會(huì)的6個(gè)重點(diǎn)主題之一，也是流體力學(xué)方面參與最踴躍的主題[5]。Crochet邀請(qǐng)報(bào)告的觀點(diǎn)正是高分子溶液和熔體的特性遠(yuǎn)異于牛頓流，并認(rèn)為這些異常特性的研究都是帶有挑戰(zhàn)性的課題。

參考文獻(xiàn) 萊頓.生物系統(tǒng)的流體動(dòng)性.北京：科學(xué)出版社，1980 陳克復(fù)等.食品流變學(xué)及其測(cè)量.北京：輕工業(yè)出版社，1989 王振東.春蠶到死絲方盡——談液體的拉絲現(xiàn)象.力學(xué)與實(shí)踐，1994，16(1)：75～77 陳文芳.非牛頓流體力學(xué).北京：科學(xué)出版社，1984 王仁，何友聲等.第19屆國(guó)際理論與應(yīng)用力學(xué)大會(huì)(IUTAM)情況 介紹.力學(xué)與實(shí)踐，1997，19(1)：57～64

第五篇：15電磁在非牛頓流體中的應(yīng)用

15電磁流量計(jì)在非牛頓流體流量測(cè)量中的應(yīng)用

流量計(jì)確定一次裝置精確度的方法是建立在參考流動(dòng)條件基礎(chǔ)上的。但是，不同工作原理的流量計(jì)對(duì)參考流動(dòng)條件的敏感程度是不同的，有的甚至相差甚遠(yuǎn)。參考流動(dòng)條件中所規(guī)定的具有充分發(fā)展的層流或紊流的速度分布和牛頓流體與我們要討論的問(wèn)題相關(guān)。

“由牛頓流體所形成的速度分布是所有流量計(jì)（編注：本文主要指速度式流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置等）的基本參比狀況，各種修正都是根據(jù)這個(gè)速度分布進(jìn)行的。為確定非牛頓流體對(duì)流量計(jì)的影響，需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的測(cè)試。由于非牛頓流體的種類(lèi)繁多，目前這方面已公布的數(shù)據(jù)甚少。”在許多應(yīng)用的場(chǎng)合下，有許多非牛頓流體處于層流狀態(tài)，其速度分布與牛頓流體不同，它們偏離了牛頓流體層流速度分布的情況，其速度分布是難于預(yù)報(bào)的，但已知其分布是對(duì)稱(chēng)的，而達(dá)到這種速度分布所需的直管段長(zhǎng)度通常僅為牛頓流體所需長(zhǎng)度的1/3到1/2。[10] 封閉管道中使用的電磁流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量流體的面平均流速進(jìn)而算出流量的速度式流量計(jì)，但它與其它速度式流量計(jì)不同的是，電磁流量計(jì)具有可以測(cè)量非牛頓流體，并且無(wú)須進(jìn)行雷諾數(shù)、壓力、溫度、黏度和密度修正的顯著特點(diǎn)，這與其輸出信號(hào)的特性有關(guān)。

在日本1979年出版的《流量測(cè)量手冊(cè)》[11] 一書(shū)中說(shuō)：“電磁流量計(jì)檢測(cè)電極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與平均流速成正比，因此，無(wú)論管路內(nèi)的流動(dòng)為層流也好，或因雷諾數(shù)的變化而變?yōu)槲闪饕埠茫灰魉俜植寂c管軸對(duì)稱(chēng)，一般也會(huì)感應(yīng)出與平均流速成正比的電動(dòng)勢(shì)，但 是，必須注意一般在彎管和閥門(mén)的前后的流動(dòng)，由于流速分布變亂，不會(huì)出現(xiàn)上述情況。”當(dāng)時(shí)的電磁流量計(jì)雖然可以做到從層流到紊流的測(cè)量，無(wú)須進(jìn)行雷諾數(shù)修正，但要求流速分布必須是與管軸對(duì)稱(chēng)的。

在美國(guó)1983年出版的《流量測(cè)量工程手冊(cè)》[10]一書(shū)中也有類(lèi)似的表述：“至今，幾乎還沒(méi)有在層流狀態(tài)下非牛頓流體流量測(cè)量的資料。除了用文丘利管測(cè)量泥漿和污水的流量或不需要進(jìn)行雷諾數(shù)校正的場(chǎng)合，在許多情況下是采用電磁流量計(jì)，這主要是由于它的輸出基本上是反映速度分布的平均值。”也就是說(shuō)，電磁流量計(jì)可以測(cè)量層流狀態(tài)下的非牛頓流體。

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，加速了電磁流量計(jì)技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以后，勵(lì)磁方式的不斷改進(jìn)代表著電磁流量計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步。與早期的工頻勵(lì)磁相比，低頻矩形波勵(lì)磁，雙頻勵(lì)磁，可編程控制勵(lì)磁等新的勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)，提高了傳感器輸出流量信號(hào)的信噪比，降低并穩(wěn)定了儀表的零點(diǎn)。轉(zhuǎn)換器應(yīng)用先進(jìn)的集成運(yùn)算放大器大幅度降低了器件的噪聲。采用數(shù)字的處理方法，較模擬電路的轉(zhuǎn)換器能使電磁流量計(jì)的測(cè)量精確度大幅度提高。感應(yīng)信號(hào)的權(quán)重函數(shù)理論的研究，一定程度地改善了管道內(nèi)流速分布非軸對(duì)稱(chēng)性對(duì)流量準(zhǔn)確測(cè)量的影響。因此，現(xiàn)代的電磁流量計(jì)才有可能達(dá)到±0.5%,甚至±0.2%的測(cè)量精確度，而且適用范圍更寬。[13] 非牛頓流體的種類(lèi)繁多，目前，我們比較熟悉的有據(jù)可查的常用電磁流量計(jì)測(cè)量的非牛頓流體有紙漿、礦漿、水煤漿、鉆井用泥漿等[10]（P166），我們習(xí)慣上稱(chēng)其為漿液，而把適用于測(cè)量漿液流量的 電磁流量計(jì)稱(chēng)為漿液型電磁流量計(jì)。這里需要說(shuō)明的是，電磁流量計(jì)在這些行業(yè)并非全部用于漿液流量的測(cè)量，但測(cè)量漿液流量占有重要地位。下面我們將分別討論電磁流量計(jì)在造紙、氧化鋁和甲醇行業(yè)的應(yīng)用。

15．1電磁流量計(jì)在造紙行業(yè)的應(yīng)用

造紙行業(yè)已成為繼汽車(chē)、電子之后的第三大支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)悉，在從國(guó)外引進(jìn)的成套造紙?jiān)O(shè)備中，對(duì)液體流量的測(cè)量大多采用了電磁流量計(jì)。國(guó)內(nèi)的大中型造紙企業(yè)也已逐步完成了用電磁流量計(jì)替代傳統(tǒng)的差壓式流量計(jì)的更新過(guò)程，并積累了一定的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，且不斷對(duì)儀表提出新的使用要求。造紙行業(yè)對(duì)電磁流量計(jì)的需用量相當(dāng)大，以年產(chǎn)量為35萬(wàn)噸的造紙廠為例，其電磁流量計(jì)的使用量可達(dá)到400臺(tái)左右。另外，作為國(guó)策，嚴(yán)格環(huán)保法治勢(shì)在必行，造紙企業(yè)全面污水處理也需要一定數(shù)量的電磁流量計(jì)。以下是具體使用情況。

圖15.1是造紙生產(chǎn)流程圖。

圖15.1 1).備料制漿車(chē)間工藝流程

備料制漿過(guò)程需用電磁流量計(jì)大約在50～60臺(tái)。口徑根據(jù)工藝管道而定。

該車(chē)間的任務(wù)是把各種不同的原料分別制成漿料。電磁流量計(jì)在制漿過(guò)程中主要是測(cè)量水、堿、酸和打磨漿的流量。經(jīng)過(guò)機(jī)械打或磨的漿料的溫度一般可達(dá)80℃。備料制漿過(guò)程根據(jù)所用材料可分為如下兩類(lèi)：

(1).用木材或草料（如稻草、蘆葦、麥秸等）制漿: 制獎(jiǎng)前要先將木草料進(jìn)行蒸煮。蒸煮液由水和堿[氫氧化鈣Ca(OH)2或氫氧化鈉NaOH]配制而成，呈堿性。所以，這里對(duì)堿和蒸煮后的打磨漿進(jìn)行流量測(cè)量的電磁流量計(jì)應(yīng)選用分體型結(jié)構(gòu)；襯里多選用耐高溫和腐蝕的聚四氟乙烯[PTFE（F4）]或其它氟塑料（資料顯示，造紙行業(yè)使用的電磁流量計(jì)，85%以上選用的是F4襯里，效果滿(mǎn)意）；電極應(yīng)選用耐腐蝕性強(qiáng)的哈氏合金C（Hc）或鈦（Ti）等，切記不可選用鉭電極，因?yàn)殂g在堿中不耐腐蝕。測(cè)量酸性漿液要求不高時(shí)，電極材料可選耐酸鋼316SS。

(2).用廢紙制漿: 將廢紙打成漿后要進(jìn)行洗滌漂白處理。當(dāng)電磁流量計(jì)用于打漿后的加水流量測(cè)量時(shí)，大多用稍加處理的附近的江河水，雖水質(zhì)較差，但無(wú)腐蝕性，可采用常規(guī)的橡膠襯里和不銹鋼電極（如316SS）。而用于脫墨劑流量測(cè)量時(shí)，由于常用的脫墨劑有氫氧化鈉（NaOH）、硅酸鈉（Na2SIO3）、過(guò)氧化鈉（Na2O2）或過(guò)氧化氫（即雙氧水）（H2O2），比較復(fù)雜，所以對(duì)電磁流量計(jì)襯里和電極材料的選用要慎重。襯里一 般都可選用F4或PFA；電極可參考以下文獻(xiàn)：《電磁流量計(jì)》[14]一書(shū)中推薦，測(cè)量過(guò)氧化鈉時(shí)，選用Hc較合理；上海橫河電機(jī)有限公司2004年4月《電磁流量計(jì)選型設(shè)計(jì)資料》介紹，測(cè)量硅酸鈉（100%）時(shí)，選用鉭較合理；測(cè)量過(guò)氧化氫（50%）時(shí)，選用鉭或鈦較適合；測(cè)量氫氧化鈉時(shí)選用Hc。由于介質(zhì)種類(lèi)繁多，其腐蝕性又受溫度、濃度、流速等復(fù)雜因素影響而變化，故以上對(duì)襯里和電極的選擇僅供參考。用戶(hù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況自己做出選擇，必要時(shí)應(yīng)做擬選材料的耐腐試驗(yàn)。

2).篩選漂白車(chē)間（即抄紙車(chē)間）工藝流程

篩選（即抄紙）和洗滌（即漂白）這兩個(gè)工段是造紙廠使用電磁流量計(jì)最多的，本例可達(dá)250臺(tái)左右。在漿液配比過(guò)程中的適用口徑一般為DN50～DN15 該工藝流程可分為兩部分:(1).配漿過(guò)程: 電磁流量計(jì)用于測(cè)量從各備料制漿車(chē)間流入抄紙車(chē)間各漿池和從各漿池流入配漿池的每個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)的漿料的流量。此例共有以下五種漿料參與配漿過(guò)程：

A.化漿—由傳統(tǒng)“化漿生產(chǎn)線”生產(chǎn)的紙漿； B.脫墨漿—由廢紙脫墨工藝生產(chǎn)的紙漿;C.CTMP漿—用化學(xué)熱磨法生產(chǎn)的紙漿； D.機(jī)漿— E.損液獎(jiǎng)—

這里，CTMP漿和機(jī)漿的溫度高達(dá)50-80℃，襯里材料可選用F4或 PFA。

各生產(chǎn)廠家為得到不同質(zhì)量的紙張，在漿液配比過(guò)程中采用不同的漿液配比濃度，但往往由于一種漿料的細(xì)微超差而導(dǎo)致成品不合格,從而造成經(jīng)濟(jì)損失。所以各生產(chǎn)廠對(duì)這一環(huán)節(jié)都非常重視，在每一根參加配比的管道中都裝有電磁流量計(jì)測(cè)量流入配漿總管的瞬時(shí)和總量流量，同時(shí)還在配漿管的下端裝有在線濃度計(jì)，以檢測(cè)配漿效果。若一旦發(fā)現(xiàn)預(yù)定的濃度有偏差，就立即調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度以調(diào)整相應(yīng)的漿料流量。這里不僅要求電磁流量計(jì)精確度高，同時(shí)要求具有良好的重復(fù)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

(2).篩選過(guò)程: 在配漿后的篩選（習(xí)慣稱(chēng)抄紙）過(guò)程中，紙漿濃度常影響流量測(cè)量。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)濃度大于3%的紙漿用低頻方波勵(lì)磁頻率（如25Hz）或雙頻勵(lì)磁，可以改善測(cè)量輸出的抖動(dòng)現(xiàn)象。以DN300的電磁流量計(jì)測(cè)量濃度大于3.5%的瓦楞板紙為例,用常規(guī)的1/32工頻(約為1.56Hz,1工頻為50Hz)時(shí)，瞬時(shí)流量顯示的抖動(dòng)量高達(dá)10.7%;當(dāng)選用頻率可調(diào)的電磁流量計(jì)時(shí),將其勵(lì)磁頻率改為1/2工頻(即25Hz)時(shí),跳動(dòng)量減少到1.9%，效果相當(dāng)明顯。目前的“雙頻勵(lì)磁方式是日本橫河電機(jī)公司研究開(kāi)發(fā)的一種高、低頻矩形波調(diào)制波的勵(lì)磁方式。所采用的勵(lì)磁頻率為：低頻是6.25Hz，它有助于提高零點(diǎn)的穩(wěn)定性；高頻是75Hz，高頻勵(lì)磁大幅度降低了漿液對(duì)電極產(chǎn)生的極化電壓（測(cè) 量固、液雙相的漿液流體時(shí)，固體擦過(guò)電極表面所產(chǎn)生的漿液噪聲，即一種直流極化電壓），減弱了測(cè)量輸出的抖動(dòng)，提高了測(cè)量的響應(yīng)速度。因此，雙頻勵(lì)磁既有穩(wěn)定的零點(diǎn)和高精度的測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，又有很強(qiáng)的抗“漿液噪聲”能力，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是低頻矩形波勵(lì)磁和高頻勵(lì)磁的結(jié)合。”

“雙頻勵(lì)磁傳感器存在一個(gè)低頻系數(shù)和一個(gè)高頻系數(shù)兩個(gè)儀表系數(shù)，因此，轉(zhuǎn)換器調(diào)整時(shí)，求得兩個(gè)系數(shù)相對(duì)于一個(gè)儀表系數(shù)要麻煩一些。”“從上面的敘述可以看到，勵(lì)磁方式的研究對(duì)于電磁流量計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展顯得非常重要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，也許不久的將來(lái)還會(huì)有更先進(jìn)、更完美的勵(lì)磁方式出現(xiàn)。”[ ] 在抄紙工序，由于配漿、抄紙過(guò)程中需要對(duì)冷卻水、明礬和化石粉等添加劑，須作流量控制監(jiān)測(cè)，因此，是造紙廠中使用電磁流量計(jì)數(shù)量最多的，本例用量約達(dá)200臺(tái)左右。

為保證紙張的白度均勻細(xì)致，要添加不同的添加劑、分散劑和漂白劑。這些添液的流量小，腐蝕性強(qiáng)，所以襯里基本上都選用F4或PFA。由于造紙廠常用氧化性強(qiáng)的雙氧水作漂白劑，而雙氧水對(duì)金屬材料的腐蝕性特別強(qiáng)，出于防腐考慮，往往選用鉑銥合金（Pt）為電極材料，但實(shí)用情況表明，當(dāng)過(guò)程壓力小于0.3MPa（3公斤）時(shí)，Pt電極會(huì)同雙癢水發(fā)生反應(yīng)，而在電極表面形成一層氣霧，稱(chēng)之為觸媒反應(yīng)。這時(shí)輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很大波動(dòng)。但選用鉭（Ta）電極就沒(méi)有上述問(wèn)題。如果換用NaOH（堿）做漂白劑，就不能選用鉭電極，因?yàn)閴A液會(huì)使鉭電極產(chǎn)生表面效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，即使鉭電極在測(cè)量一 般的水時(shí)，其零點(diǎn)的波動(dòng)也要超過(guò)其它電極數(shù)十倍。

小口徑電磁流量計(jì)安裝時(shí)要特別注意同心度。本例中采用小口徑DN10的電磁流量計(jì)測(cè)量上述添加劑，均能獲得較理想的效果。在國(guó)外的造紙生產(chǎn)線上，這些場(chǎng)合也有部分選用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的。

總之，電磁流量計(jì)在造紙行業(yè)的液體流量測(cè)量中占主導(dǎo)地位，襯里普遍選用F4，電極則根據(jù)液體性質(zhì)而定。絕大多數(shù)的使用問(wèn)題出現(xiàn)在初期的選型和安裝不當(dāng)。如電極或襯里材料選擇失誤；流體不滿(mǎn)管；直管段長(zhǎng)度不足；安裝時(shí)傳感器與管道（特別是小管道）的不同心度或密封墊圈進(jìn)入流場(chǎng)等。這些問(wèn)題常常是電磁流量計(jì)未能正常運(yùn)行的主要因素。

15.2電磁流量計(jì)在氧化鋁行業(yè)的應(yīng)用

氧化鋁的用途很廣，如牙膏、醫(yī)藥、陶瓷、各種鋁合金鋁型材等。我國(guó)是產(chǎn)鋁大國(guó)，具有大規(guī)模的氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)和基地。目前，氧化鋁行業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總植（GTP）中發(fā)展最快的行業(yè)之一。但隨著我國(guó)工業(yè)和城鄉(xiāng)建設(shè)的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)氧化鋁仍供不應(yīng)求，目前，國(guó)內(nèi)需求量的30%需要進(jìn)口，這給國(guó)內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展留下了相當(dāng)大的空間。近年來(lái)，我國(guó)新建的氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)和擴(kuò)建的氧化鋁生產(chǎn)線如雨后春筍。現(xiàn)知，僅山東的新建企業(yè)就有濱州的魏橋鋁電，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1000萬(wàn)噸/年（分五期完成），現(xiàn)已完成一、二期共400萬(wàn)噸/年的產(chǎn)能；聊城的信發(fā)華宇已建成240萬(wàn)/噸的產(chǎn)能，又在廣西建了一個(gè)新廠；龍口南山集團(tuán)。改擴(kuò)建項(xiàng)目如：中國(guó)鋁業(yè)中州分公司投資12.92億元的30萬(wàn)噸/年選礦拜爾法高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示 范工程、山東分公司的60萬(wàn)噸/年拜爾法改擴(kuò)建工程。又如，中鋁河南分公司總投資十億元，采用國(guó)際先進(jìn)的“選礦拜而法生產(chǎn)氧化鋁新工藝”項(xiàng)目等。

氧化鋁行業(yè)不但是一個(gè)高耗能、高污染、高產(chǎn)出的行業(yè)，而且流程長(zhǎng)，工序多。因此，在配料監(jiān)控、節(jié)能降耗、治污減排、回收循環(huán)利用等各個(gè)環(huán)節(jié)，都需要使用大量的流量計(jì)。其中，電磁流量計(jì)約占其中的50%左右。下面討論電磁流量計(jì)在氧化鋁行業(yè)的應(yīng)用，特別是在漿液流量測(cè)量方面的選型和使用。

目前，氧化鋁的生產(chǎn)方法有三種：拜爾法、燒結(jié)法和混聯(lián)法。其中，混聯(lián)法是前兩種方法的混聯(lián)。所以，這里僅介紹電磁流量計(jì)在拜爾法和燒結(jié)法中的應(yīng)用。

1).拜爾法