原油流变学课件.ppt

1、原油流变学原油流变学 授课教师：赵金省 授课班级：储运080708 储运(专升本)1001-1002-参考书：参考书：1.李传宪、罗哲鸣编著.原油流变性及测量.山东东营：石油大学出版社.1994.82.沈崇棠、刘鹤年合编.非牛顿流体力学及其应用.北京：高等教育出版社.1989.33.黄逸仁编.非牛顿流体流动及流变性测量.四川成都：成都科技大学出版社.1993.94.罗塘湖编著.含蜡原油流变特性及其管道输送.北京：石油工业出版社.19905.其它一些参考书。-课程简单介绍及一些具体要求：课程简单介绍及一些具体要求：1.考试课，统一考试。2.总学时36，理论讲授33学时，实验3学时。3.考试成绩7

2、0，平时成绩(出勤、作业、课堂表现)20，实验成绩104.课程名称为“流变学”，具体应为“原油流变性及其测量”5.主要讲授的内容：流变学基础、流变性测量、结合专业实际讲原油的流变性、原油流变性的评价与测量。-第一章第一章 绪论绪论 流变学流变学(Rheology)是研究物质变形与流动的科学(the science of deformation and flow of material)。实际物质在外力作用下怎样变形与流动，这是物质本身固有的性质，可以称其为物质的流变性(即物质在外力作用下变形与流动的性质)。流变学就是研究物质流变性的科学。1.1 流变学概念流变学概念-流变学是一门既古老又年青的

3、科学。早在公元前1500年，人们对流变学就有了肤浅的认识，例如，埃及人发明了一种称为水钟的陶瓷制品，其形状是一个圆锥形容器，底部开有一小孔，用以测定容器内水层高度与时间的关系以及温度对流体粘度的影响。但总的来说，流变学在16世纪以前发展比较缓慢。16世纪以后，流变学获得了比较迅速的发展：Boyle提出理想气体的定律(PV=C，1662年)；Calileo提出液体具有内聚粘性概念；Hooke建立了弹性固体的应力与应变关系(=E，1678年)；-Newton阐明了牛顿流体流动阻力与剪切速率之间有正比关系(1687年)，（实际上，当时Newton是以假说形式提出的这一定律，19世纪末叶，德国的Ost

4、wald在Poisuille定律公式的基础上推导出具体的牛顿流体定律公式）这些发现尤其是牛顿流动定律，对流变学的发展起着对流变学的发展起着十分重要的作用十分重要的作用；19世纪由德国土木学家Hagen和法国血液医学科学家Poiseuille建立的Hagen&Poiseuille方程(Q=D4P/128L)，标志了流变学的重大发展标志了流变学的重大发展。-在流变学发展过程中，美国物理化学家E.C.Bingham教授作出了划时代的贡献划时代的贡献。他不仅发现了一类所谓Bingham流体(如润滑油、油漆、泥浆等)的流动规律，而且把20世纪以前积累下来的有关流变学的零碎知识进行了系统的归纳，并正式命名

5、为流变学(Rheology)。1929年Bingham等倡议成立了美国流变学会(society of rheology of USA)，且同年创刊流变学杂志(Journal of Rheology)。人们一般以此作为流变学流变学(作为学科作为学科)创立的标志创立的标志。-以后流变学逐步被欧、美、亚等各大洲的许多国家所承认。目前全世界许多国家都有自己的流变学会，1948年在荷兰召开了第一届国际流变学会议，以后每4年举行一届国际流变学会议。我国在流变学方面的工作是从新中国成立后才开始的，特别是改革开放以来，在科学技术和工业发展的促进下，无论是在广度还是在深度，流变学在我国都有了很大的发展。我国于1

6、985年11月在长沙召开第一届全国流变学会议，至今已召开了5届全国流变学会议。有关原油流变学的基本知识在输油管道行业的工程技术人员中越来越普及。国内流变学界某权威人士曾指出,石油行石油行业业(包括储运、开发等包括储运、开发等)是国内流变学应用及普及工作做得较是国内流变学应用及普及工作做得较好的行业好的行业。-按照流变学的定义，它几乎研究所有物质在外力作用下的变形或流动问题，包括经典的Hooke固体和Newton粘性液体这样的极端。但实际上这些经典极端总是被认为超出了现代流变学研究的范围。弹性力学是研究纯弹性物体的受力与变形问题，流体力学则研究牛顿流体的受力与流动问题，在这两个极端情况下，物质的

7、受力与变形或流动的关系比较简单。而许多实际材料的受力变形或流动性质处于上述两个极端特性之间，这些材料不能用任一传统的力学模型来进行适当的描述，那么，流变学就是专门对这类材料的受力与变形或流动问题进行研究。所以，流变学研流变学研究的是纯弹性固体和牛顿流体状态之间所有物质的变形与究的是纯弹性固体和牛顿流体状态之间所有物质的变形与流动问题。流动问题。-流变学的发展有着密切的工业背景，本来流变学就是应工业的需要而发展起来的，因此，流变学在各工业领域的研究发展产生了许多对应的流变学分支，象聚合物加工流变学、生物流变学、药品流变学、食品流变学、石油流变学、土壤流变学等等。-1.2 流体的粘度流体的粘度 速

8、度分布规律图-1.3 力、形变和流动力、形变和流动 在传统上流变学作为力学的一个分支，因为物质的流变性是应用力学的基本原理来确定的，尽管流变学更注重流变学更注重不同物质的力学性质与其内部结构之间的关系不同物质的力学性质与其内部结构之间的关系，而不限于力学本身。应用力学原理确定引起物质运动的力是动力学动力学问题问题。流变学中物质所受到的力用应力或应力张量表示。流变学中物质所受到的力用应力或应力张量表示。当受到一定的应力作用后，所有物质都不同程度地变形，如果是流体则变形是连续的，即产生流动。对这些变形或运动状态的描述则是运动学问题运动学问题。流变学中用应变或应变。流变学中用应变或应变速率表示物质的

9、运动状态即变形或流动速率表示物质的运动状态即变形或流动。-一、连续介质一、连续介质(continuum)的概念的概念 流体质点就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连绵不断的流体质点所组成的一种绝无间隙的连续介质。物质被看成是连续介质，就摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观运动，那么反映宏观物质的各种物理性质都是空间坐标的连续函数，在解决流变学问题时，就可应用数学分析中的连续函数概念进行数学解析。当所研究的物体大小与物质分子的平均自由行程在同一个数量级时，连续介质模型是不适用的。-二、连续介质中的力二、连续介质中的力在流变学中，作

10、用在质点上的力用应力表示 1、应力矢量、应力矢量(stress vector)假定作用于p点的力为F，那么p点的应应力矢量力矢量定义为：微元表面的取向不同，应力矢量T(n)值不同，即应力矢量是微元表面法向单位矢量n的函数，这是应力矢量的一个重要特征应力矢量的一个重要特征。应力矢量可以分解为法向应力(沿作用面法线方向)和切向应力(或称剪切应力)(沿作用面切向)，法向应力和切向应力也均是矢量。AFnTA0lim)(-2、应力张量、应力张量(stress tensor)由于过一点的作用面方向可任意选取，该点处应力矢量的大小和方向也随之改变，所以，一点的应力状态不能用一个固定的应力矢量来描述，而要用九

11、个分量组成的应力张量来描述。每个分量的第一个下标表示应力分量作用面的法线方向，第二个下标表示应力分量的方向。zzzyzxyzyyyxxzxyxxTTTTTTTTTT-三、连续介质中的形变与流动三、连续介质中的形变与流动 物质变形(包括流动)的基本特征是其中各点发生了一定的相对移动。根据连续介质的概念，可以把物质的状态定义为构成物质的质点在空间位置上占据一定的位置，形成一种确定的构形，因此决定物质状态的是质点构成相对于某一参照系的确定位置。从此意义上讲，物质状态的变物质状态的变化称为变形，而物质连续无限地变形就是流动化称为变形，而物质连续无限地变形就是流动。-流变学中有三种基本变形：简单拉伸简单

12、拉伸、简单剪切简单剪切和体积体积压缩与膨胀压缩与膨胀。-简单拉伸简单拉伸：物体只在一个方向(受力方向)上产生拉伸应变。长细比很大的杆件单向拉伸时，只能度量出拉伸方向的应变。拉伸应变拉伸应变(extensional strain)：应变速率应变速率(extensional strain rate)：xdxxx/dtdxdtdxxxxx/-简单剪切简单剪切：平行于力作用方向的相邻面之间产生相对移动，这是一种角应变。简单变形随时间连续发展的结果就是简单剪切流动，如液体沿水平等径管道的稳态层层流动等。剪切应变剪切应变(shear strain)：应变速率应变速率(shear strain rate)：

13、ydxxy/dtdydtdxxyxy/-体积压缩与膨胀体积压缩与膨胀：是静压变化引起的。静压是一种各向同性的力。对各向同性的物质，静压下只改变体积单元的体积，而形状不变化。体积应变体积应变(volume strain)：应变速率应变速率(volume strain rate)：vdvv/dtdvdtdvvv/-真实物体的变形只不过是其中的一种，或是基本变形的叠加而构成的复杂变形。同应力的描述相似，流变学中用应变张量和应变速率张量来描述物质复杂的变形和流动，即：应变张量应变张量：应变速率张量应变速率张量：zzzyzxyzyyyxxzxyxxzzzyzxyzyyyxxzxyxx-对流体只需用应变速

14、率张量。通常用应变速率、剪切对流体只需用应变速率张量。通常用应变速率、剪切速率或速度梯度来描述流体的流动。速率或速度梯度来描述流体的流动。应变速率应变速率是单位时间的应变变化:应变速率又分为拉伸应变速率拉伸应变速率和剪切应变速率剪切应变速率。剪切应变速率描述流体的剪切流动，拉伸应变速率描述流体的拉伸流动。在简单剪切流动中，流体的流动方向与速度梯度方向垂直，如平行平板间的拖动流、流体在等直径圆管中的层流流动等；对简单拉伸流动来说，流体的流动方向与速度梯度方向相同，如纺丝过程等。dtd-剪切速率就是剪切应变速率，即单位时间剪切应变的变化，常用 表示剪切速率。速度梯度是流体元的速度对空间坐标的导数，

15、用 表示。在数学上，速度梯度与剪切速率一般是相等的，这是因为一般速度梯度=（剪切速率）。但在某些流动条件下，二者的物理意义也有所区别，如在第三章介绍的同轴圆筒旋转流动。dydvdtddtdydLdydtdLdydv-流体在不同的流动方式下所表现出的流动阻力特性不同。剪切粘度等于剪切应力与剪切速率之比。剪切粘度就是牛顿内摩擦定律中的动力粘度。拉伸粘度等于拉伸应力与拉伸应变速率之比。对牛顿流体来说，在简单的拉伸流动即单轴拉伸流动条件下，其拉伸粘度为剪切粘度的3倍；对非牛顿流体来说，其拉伸粘度大于3倍的剪切粘度。有资料报道，自然界中95以上的流动为剪切流动，本课程除非有本课程除非有特殊说明，否则讨论

16、的都是剪切流动特殊说明，否则讨论的都是剪切流动。在流变学研究中，许多应力状态和运动状态可以简化为二维或一维的简单状态。如简单剪切流动中，受力和流动都简单剪切流动中，受力和流动都是一维的是一维的。-四、四、流变方程流变方程反映物料宏观性质的数学模型称为本构方程本构方程，亦称流变状流变状态方程态方程和流变方程流变方程，它是关联物料所受的应力与其流变响应如应变、应变速率和响应时间，甚至温度等其他变量的方程。寻求物质的流变方程是流变学研究的一个重要内容。流变方程的作用包括：流变方程可以区分流体类型，即不同类型的流体要用不同的流变方程来描述；从流变方程可以获得流体内部结构的有关信息，如相转变等；流变方程

17、与有关流体流动方程相联立，可用于解决非牛顿流体的动量、热量和质量传递等工程问题。-由流变方程决定力学行为的物质是理想的物质，实际上的物质不会绝对遵循某一本构方程，但可以逼近或接近某个流变方程。对一些简单的流变性质的描述也可用曲线形式表示，如剪切应力与剪切速率关系曲线、粘度随剪切速率变化曲线等，并称之为流变曲线流变曲线。对一些比较复杂的流体，其流变方程往往要用张量来分析描述。-一个本构方程的好与否，主要靠实验判断，与实验结果较符合的，就是一个较好的本构方程。本构方程的选取主要取决于以下几个因素：a)方程的应用精度；b)方程的简便性；c)应用目的；d)物理意义；e)个人习好。可见本构方程的选取不是

18、唯一的。-典型流场典型流场 流场流场是指液体的物理点（或微团）的物理量（如位移、运动速度）在给定空间内的分布。典型流场典型流场是为简化运动微分方程而引入的简单流场，而且此简单流场在实际生产中又具有现实意义。平行平板间的拖动流平行平板间的拖动流简单剪切流场 在此流场下，纯粘性流体没有应变张量，只有应变速率张量 ，而且可以大大简化。其中只有应变速率分量 ，其余应变速率分量均为零。dydVx2yxxy-属于简单剪切流场的还有：(l)管流中的Poiseuille 流动；(2)同轴旋转圆筒间的Couette流动和Searle流动；(3)旋转锥板间的剪切流动等等。-1.4 物质的流变学分类物质的流变学分类

19、(1)刚体(欧几里德体)0(2)线性弹性体(虎克固体)(3)弹粘性体：弹粘性固体；粘弹性流体 (4)非线性粘性流体 (5)线性粘性流体(牛顿流体)(6)无粘性流体(帕斯卡流体)E),(tF),(tF-上述分类仍然是理想化、模型化的。在通常条件下，许多物料可以明显地归类为虎克固体或牛顿流体，而有些物料则介于这些谱类之间，它们既不是明显的固体，也不是明显的液体，只是在某种特定条件下，有某种特征占优势，这样就可以参考上述某一理想化的模式探讨其流变行为，这就是简单分类的意义简单分类的意义。-尽管许多物质比较明显地分为固体或流体，但也有相当多的物质很难认为它们是固体还是流体，粘弹性体就是这一类物质。粘弹

20、性体是一类在受力条件下，既表现出弹性又表现出粘性的一类物质，其又可分为以弹性特征为主的弹粘性固体弹粘性固体和以粘性特征为主的粘弹性流体粘弹性流体。-一般说来，在一个剪切应力作用下，流体将产生连续的变形，而固体将产生一个平衡的变形结构。实际上这种性质也是相对的，它决定于物质固有的特性时间和观察应力和应变变化的时间之间的相对大小，以及应力和应变的大小。如一种称之为“反跳胶泥”的有机硅材料，尽管其非常粘滞，但若给以足够的时间，它终将流成水平。然而，由它做的小球往地板上掷时会反跳起来。不难得出结论，在长时间标尺内发生的慢流动过程中，胶泥的行为象流体；在剧烈且突然的形变下，胶泥会反跳，从而表现出固体的特

21、征。因此，依赖于形变过程的时间标尺，一种给定物质或材料的行为可能象固体或流体。实际上流变学的一个基本原理，也就是希腊哲学家赫拉克里特斯(Heraclitus)的一句哲学名言，即万物皆流万物皆流。-为了描述材料的流变行为，现代流变学的奠基人之一瑞讷尔(Reiner)提出了一个无量纲准则数即德博拉(Deborah)数De的概念：De=/T T是物质运动的特征时间，或者说是观察形变过程的特征时间；是物质的特征时间或记忆时间。利用德博拉数可将物质的流变学分类引入更一般化的概念中。严格地说，人们不能离开物质特定的运动特征时间来说明其是固体还是流体，只要能使物质处于某种特定的运动特征中，任何物质都可能呈现

22、弹性或粘性。-若De1，物质表现出固体行为，具有弹性；若De1，则物质表现出粘弹性。流变学不限于具体的物质形态，而更注重于物质具体的流变行为。即流变学研究各种物质在弹性固体行为和牛顿流体行为之间的流变性质。若其涉及的物质在一般条件下一般条件下表现出流体类的性质，则称之为流体流变学。流体流变学研究不符合牛顿内摩擦定律的所有流体的性质，这类流体被称为非牛顿流体。可以说非牛顿流体力学与流体流变学具有相同的概念非牛顿流体力学与流体流变学具有相同的概念。原油流变学就是一门流体流变学。-从原理上人们把流变学分为以下四个主要研究方向：宏观流变现象的描述；上述宏观现象在分子或粒子水平上的解释及描述；描述上述宏

23、观现象的有关常数及函数的实验测定；流变学的实际应用。按照这一分类，流变学则由以下四个对应分支组成，即现象流变学现象流变学(或宏观流变学或宏观流变学)、结构流变学结构流变学(或微观流变学或微观流变学)、流变测量学流变测量学和应用流变学应用流变学。1.5 流变学的研究方向流变学的研究方向-2.1 流体的流变性分类流体的流变性分类一、分散体系的概念一、分散体系的概念 分散体系分散体系是指将物质(固态、液态或气态)分裂成或大或小的粒子，并将其分布在某种介质(固态、液态或气态)之中所形成的体系。分散体系可以是均匀的也可以是非均匀的系统。均匀分散体系是由一相所组成的单相体系，而非均匀分散体系是指由两相或两

24、相以上所组成的多相体系。如果被分散的粒子小到分子状态的程度，则分散体系就成为均匀分散体系。非牛顿流体往往是一种非均匀分散体系。第二章第二章 流体流变学基础流体流变学基础-非均匀分散体系必须具备2个条件：在体系内各单位空间所含物质的性质不同；存在着分界的物理界面。对非均匀分散体系，被分散的一相称为分散相分散相或内相内相，把分散相分散于其中的一相称为分散介质分散介质，亦称外相外相或连续相连续相。尽管非牛顿流体在微观上往往是非均匀的多相分散体系，或非均匀的多相混合流体，但在用连续介质理论或宏观方法研究其流变性问题时，一般可以忽略这种微观的非均匀性，而认为体系为一种均匀或假均匀分散体系均匀或假均匀分散

25、体系。-假均匀多相混合流体认为，分散相在分散介质中的分布是均匀的，即在非紊流的情况下分散相依靠自身的布朗运依靠自身的布朗运动也能均匀地分布于连续相中动也能均匀地分布于连续相中。高分子聚合物类的溶液或熔体，尽管它是均匀的，但由于聚合物相对分子质量庞大，分子结构构型复杂，也往往表现出非牛顿流体的性质。-二、二、流体的流变性分类流体的流变性分类-研究对象：研究对象：单相流体或假均匀多相混合物流体流场：流场：简单剪切流场研究方法：研究方法：宏观方法，将实验测得的剪切应力与剪切速率之间的关系在直角坐标上用曲线表示，根据曲线的形状可判断流体的流变类型，进而回归出流变方程。2.2 与时间无关的粘性流体与时间

26、无关的粘性流体-1.牛顿流体（牛顿流体（Newtonian fluid）牛顿流体流变曲线为通过原点的直线。可用直线方程回归实验数据，即得流变方程：流变方程中反映流体流变特性的参数只有一个。对牛顿流体来说，其流变方程只有一种形式。典型的牛顿流体举例：水、甘油、低分子量的成品油，空气。牛顿流体内部结构特点：单相流体、分散相浓度很低的假均匀多相混合物流体。-2.假塑性流体（假塑性流体（Pseudoplasticfluid）在直角坐标系中，其流变曲线为凹向剪切速率轴的且通过原点的一条曲线。和 是一一对应的，即受力就有流动，但与 的变化关系不成比例（即不符合牛顿流体内摩擦定律，故为非牛顿流体）。随着 的

27、增加，的增加率逐渐降低。表观粘度ap（apparent viscosity）对非牛顿流体，没有恒定的粘度概念，不同的剪切速率下有不同的表对非牛顿流体，没有恒定的粘度概念，不同的剪切速率下有不同的表观粘度，这是非牛顿流体的一大特点。观粘度，这是非牛顿流体的一大特点。ap-要说明其表观粘度为多大，一定要注明对应的剪切速率或剪切应力条件。在流变曲线上，表观粘度为曲线上某一点与原点所连直线的斜率，而不是流变曲线在该点的切线的斜率。剪切稀释性剪切稀释性 对假塑性流体，随着剪切速率或剪切应力的增加，表观粘度降低。对其它类型的非牛顿流体，有的也表现出这一特点。这种性质在流变学上被称为剪切稀释性（shear

28、thinning）。-剪切稀释性的微观机理剪切稀释性的微观机理-流变方程：假塑性流体不象牛顿流体那样具有确定的流变方程形式，往往是有多种形式的流变方程可用于描述假塑性流体特性。幂律方程形式(工程上应用最广泛)：式中:K稠度系数，Pasn n幂律行为指数，亦称流变指数（无因次），对假塑性流体，0n1。nk-在工程上常用幂律方程描述假塑性流体特性，原因有以下几点：该方程一般在13个数量级的剪切速率范围内与实际实验数据拟合得较好。实际上假塑性流体在剪切速率接近于零的低剪切速率范围内，其流变行为符合牛顿流体性质，常称之为第一牛顿区；而在剪切速率足够高的范围内，其流变行为又符合牛顿流体性质，称之为第二牛

29、顿区。-流变方程简单，只有两个反映流变性质的常数（非牛顿流体至少需要两个常数的流变方程，才能描述其流变行为），且这两个常数的物理意义比较明确。例如，k反映了流体的粘稠程度，n（n小于1）反映了流体的剪切稀释性质，n越小，流体的剪切稀释性越强。方程便于线性化，数学回归简单，从而使得k、n便于求解。幂律形式的流变方程便于工程上进行推导应用，注意：注意：符合 （0n1）典型流体举例：芝麻酱加盐水形成的混合物、沙滩上的湿沙、做馒头的面团、一定浓度下的二氧化钛的水悬浮液。内部结构特点：a）剪切增稠性是流体结构从一种有序状态到无序状态的变化；b）剪切力超过了颗粒之间的胶体力，因为这种流体在自身胶体力的作用

30、下形成有序结构的；nk1napk-c）具有不太低的内相浓度，且内相浓度处于一个较窄的范围内。例如，淀粉大约在4050%的浓度范围内可表现出明显的膨肿性流体特性；d）内相颗粒的尺寸分布是单分散强于多分散；e）剪切增稠性还与介质粘度和颗粒尺寸有关；f）剪切增稠性往往只产生在一定的剪切速率范围内。在石油工业中，钻井时，如遇到胀流性很强的地层，将会发生卡钻的严重事故。-4.宾汉姆塑性流体（Bingham plastic fluid）流变曲线为一条直线，但直线不通过坐标原 点，而是与剪切应力轴在B处相交。当对流体施加的外力 B时，体系才产生流动。且流动后流体具有剪切稀释性。B是使体系产生流动所需要的最小

31、剪切应力，即使流体产生大于0的剪切速率所需要的最小剪切应力，称之为屈服值屈服值。屈服值的大小是体系所形成的空间网络结构的性质所决定的。凡是具有屈服值的流体均称为塑性流体塑性流体（plastic fluid），外力克服其屈服值而产生的流动称为塑性流动塑性流动。-5屈服假塑性流体（yield pseudoplasticfluid）流变曲线为一条不同过坐标原点且凹向剪切速率轴的曲线，曲线与剪切应力轴的交点为y。这种流体兼有屈服特性和假塑性流体的一些特性，故称之为屈服假塑性流体。y为这种流体的屈服值，当 y时，剪切应力与剪切速率的关系是非线性的，并具有剪切稀释性。流变方程：常用Herschel-Bul

32、kley方程描述这类流体nyk一般n1，且nyapk-典型流体举例：高分子聚合物，低温含蜡原油等 内部结构特点：分散相浓度较大，粒子的不对称程度及聚集程度大，粒子间的结合力较强，易于形成空间网络结构。-6.卡松流体（Cassonianfluid）在 坐标系中，流变曲线的直线。C为卡松屈服值，的变化关系不成比例，卡松流体具有剪切稀释性。流变方程：式中，C为卡松粘度。典型流体举例：动物的血液、巧克力等。内部结构特点：符合塑性流体的网络结构理论。2121CC-与时间无关的粘性流体的共同特点与时间无关的粘性流体的共同特点：流体内部物理结构的变化都是瞬间即可调整到与剪切力相适应的程度。即给定一个剪切应力

33、就对应一个剪切速率，反之，给定一个剪切速率就对应一个剪切应力，粘度或表观粘度不随时间变化。从理论上讲，物质任何状态的变化，都对应一个时间过程。但若这一时间过程很短，致使现有技术对观察和测定这些变化显得不够灵敏，或者内部结构变化所经历的时间尽管能测定出来，但对所研究的问题不是主要的因素，或者研究的是时间因素消除后的体系流变性质，在这些条件下都可以把流体视为与时间无关的流体。-一、概述一、概述 若粘性流体内部结构的变化需要一个较长的时间过程才能调整到与流动条件或静止条件相适应的结构平衡状态，那么，在这种结构变化过程中，流体的宏观表现就是流体的表观粘度与时间有关，这种流体就称为与时间有关的粘性流体与

34、时间有关的粘性流体。与时间有关的粘性流体可分为以下两类：1、触变性流体（thixotropicfluid）1975年英国标准协会给触变性下的定义是：在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间连续下降，并在剪切应力或剪切速率消除后，表观粘度随之恢复的现象，称为触变性触变性。2.3 与时间有关的粘性流体与时间有关的粘性流体-2、反触变性流体（anti-thixotropyor negative-thixotropy）即在恒定的剪切应力或剪切速率作用下，流体表观粘度随时间而增加。其性质正好与触变性相反。反触变性流体比较少见，研究得较少，有时名称也混乱，如有时被称作震凝性。在日常生活和工业生

35、产中，触变性体系是比较常见的，如油漆、泥浆、低温含蜡原油等。-二、触变性特征：二、触变性特征：1.流体的表观粘度随剪切时间而下降流体的表观粘度随剪切时间而下降(1)恒温且静置的触变性流体，在恒定剪切速率下，测得流体的剪切应力随时间而连续下降，即表观粘度随剪切时间而下降。（2）恒温触变性流体，虽已产生与恒定的低剪切速率相应的剪切流动，若改变为恒定高剪切速率测试，所对应的剪切应力还会随时间而下降，即表观粘度仍会随剪切时间而下降。-2.流体的表观粘度随静置时间而增大 (1)经历剪切的流体，恒温且静置后，其表观粘度将随静置时间而上升-（2）在恒温下，触变性流体已产生与特定高剪切速率相应的剪切流动，当改

36、换为恒定低剪切速率测定时，其表观粘度也会随剪切时间而连续上升。-3.流体存在动平衡态流变曲线恒温下，保持剪切速率恒定，流体的剪切应力随作用时间连续变化，直至达到与剪切速率相对应的动平衡状态，剪切应力不再变化，称此值为动平衡剪切应力。-对静置且已形成结构的流体，在剪切速率连续增加而后又连续减小的循环程序下，剪切应力与剪切速率的变化曲线将是顺时针方向的滞回曲线。第一个环可能出现峰值，以后的环面积逐渐减小，并向剪切速率轴方向移动。对经过高速预剪过的流体，其滞回环会向离开剪切速率轴方向移动。4.反复循环剪切流体可得滞回环反复循环剪切流体可得滞回环-5.反复循环剪切流体可得滞回环-三、触变性的微观机理三

37、、触变性的微观机理触变性多发生在有一定浓度的悬浮颗粒，且易形成凝胶趋势的多相体系中。分散相之间、分散相与连续相之间，由于范德华力、布朗力或静电斥力都会使体系处于一定的结构状态。如果已发展成内部结构的悬浮体系被剪切，则微弱连接键遭到断裂，体系分离为絮凝体，再进一步破裂就会成为更小的聚集体，而布朗运动又会使小的聚集体碰撞而絮凝。这样，在各种力的综合作用下，分散相离解、变形、取向、排列、絮凝需要一定的作用时间。经过一定的时间后，达到与给定的剪切速率相适应的聚集体破坏与增长的动平衡聚集体破坏与增长的动平衡状态。-随剪切速率增大，体系粘度降低（剪切稀释性）的随剪切速率增大，体系粘度降低（剪切稀释性）的主

38、要原因是：主要原因是：颗粒之间作用键的破坏所造成的体系耗散能量的降低。剪切稀释性的结构机理实际上是触变现象的本质原剪切稀释性的结构机理实际上是触变现象的本质原因因，即流体剪切稀释性所对应的流体结构的变化需要一个时间过程，这一时间过程在宏观上就表现为粘度随时间的变化具有触变性现象。-四、触变性测量及触变模式四、触变性测量及触变模式用微观方法建立本构方程，描述其力学响应尚有困难。常常通过宏观方法对各种触变性流体进行实验。测量方法虽然不少，但还没有公认的统一的标准方法。t曲线法以及相对应的触变模式曲线法以及相对应的触变模式RG模式。模式。-t曲线曲线对静置并已形成稳定结构的触变性流体以恒定的剪切速率

39、进行剪切。初次剪切时剪切应力迅速下降，随着剪切作用时间的延长，剪切应力不再下降即达到平衡值，从而可得一条剪切应力衰减曲线。t曲线是针对流体处于曲线是针对流体处于特定条件而言的，仅表示了流特定条件而言的，仅表示了流体在特定条件下静置所形成的体在特定条件下静置所形成的稳定结构的触变特征。稳定结构的触变特征。图224 剪切应力衰减曲线-RG模式方程：模式方程：该模式认为触变性流体受剪切作用时产生的总剪切应力由牛顿应力分量和结构应力分量2部分叠加而成，即可观测的总剪切应力；s结构应力分量；牛顿应力分量(=)(其中的是假定流体在高剪切速率下作用较长的时间，其内部结构已全被破坏，可以认为已与剪切速率和时间

40、无关的值，因此称“牛顿”粘度)。S-s0给定剪切速率下，零时刻剪切后的结构应力，由下式确定：s 给定剪切速率下，经无限时间(即达到动平衡态)剪切后的结构应力，由下式确定：t剪切作用的持续时间，min；KD与剪切速率无关的常数，它是相对于结构破坏过程的流体特征值，min-1；00SSDRssssDsssssKtKlglglg0020RG模式方程：模式方程：-21120ssssssDRKKDR描述结构或网络的破坏与重建过程中，分散相之间相互 作用的一个无因次度量。s1 剪切持续1 min时的结构应力，由下式确定：11S-DRssssDsssssKtKlglglg0020S00SS21120ssss

41、ssDRK11S-用我国几种含蜡原油做了实验，求得剪切时刻用我国几种含蜡原油做了实验，求得剪切时刻t为零、为零、1min、无限时、无限时刻的剪切应力与剪切速率的关系为刻的剪切应力与剪切速率的关系为R-G触变模式的求解：触变模式的求解：0000nyK1111nyKnyK 这样通过实验确定了这样通过实验确定了 ，即可确定，即可确定 ，从而可利用，从而可利用R-G模式方程给出触变性流体的剪切应力随模式方程给出触变性流体的剪切应力随剪切速率、剪切时间而变化的完整描述。剪切速率、剪切时间而变化的完整描述。nKnKnKyyy,111000DDRssKK,0-一、物质粘弹性的概念一、物质粘弹性的概念 考虑一

42、种物质，在一定的剪切应力作用下，物质发生一定的剪切变形，当外力消除后，这种变形可能不恢复也可能恢复，可能完全恢复至零，也可能不完全恢复至零。如果剪切变形最终不能恢复至零，则说物质产生了流动。即使在微小的应力作用下，如果物质产生了流动，则说这种物质为流体（流变学中一般不考虑气体），否则，物质为固体。如果物质没有变形的恢复发生，则称物质为非弹性的物质为非弹性的。对一种流体来说，如果其变形能部分地恢复，则称其为弹性液体弹性液体。2.4 粘弹性流体简介粘弹性流体简介-考虑到时间因素，若固体的变形与恢复是瞬时发生的，则这种物质具有理想弹性具有理想弹性；否则，固体的变形与恢复比较慢，即有一个时间过程，则这

43、种固体称为弹粘性固体弹粘性固体。弹性液体，也称为粘弹性流体粘弹性流体，其变形和恢复也需一个时间过程。粘弹性流体是一类既有粘性又有弹性的液体，其受外力作用时，由于弹性而要产生一定的变形（有一定的时间过程），外力消除后，这种变形要完全恢复（有一定时间过程）；又由于粘性，其在外力作用下要产生一定的流动，其对应的变形是不可恢复的。-二、粘弹性流体的一些流变现象二、粘弹性流体的一些流变现象 1.爬杆现象 又称韦森堡（Weissenberg）效应-2.挤出胀大现象-3.同心套管轴向流动现象-4.回弹现象5.无管虹吸现象-6.次级流现象-三、粘弹性流体与触变三、粘弹性流体与触变/反触变流体的时间效应区别反触

44、变流体的时间效应区别 粘弹性流体与触变性粘弹性流体与触变性/反触变性流体均具有剪切的时反触变性流体均具有剪切的时间效应。间效应。例如，当突然给一流体施加一剪切应力时，相应的剪切应变随时间而变化，其原因可明显地分为两类：一类是对应粘弹性流体的，提供给流体的机械能（剪切应力提供）的一部分作为弹性能而储存起来，相对于一特定的剪切应力，当逐渐达到其最大储存能量时，所需的能量供给速率降低到仅用于维持流体的粘性流动，因此，相应的剪切速率随时间逐渐减小，最后达到恒定值。-另一类是对应触变性/反触变性流体的，在一定的剪切应力下，流体的结构发生一定的变化，从而造成剪切速率的变化。这种流体内部结构的变化可能是悬浮

45、颗粒间弱键的断裂，或是不规则形状的粒子或长链分子的定向排列，也可能是粒子之间的碰撞并形成离子聚集体。并且在剪切应力消除时，没有弹性回复现象。剪切速率随时间的变化可能增加，表现出触变性，也可能减小，表现出反触变性。-粘弹性流体/触变性流体/反触变性流体的力学响应曲线图（a）粘弹性流体；（b）触变性流体；（c）反触变性流体。-粘弹性流体与触变性流体的时间效应比较容易区分，但对粘弹性流体与反触变性流体来说，在应力作用下的时间效应相似，只是在应力消除后，粘弹性流体有弹性应变的恢复过程，而反触变流体则没有。当然，两大类流体的时间响应还有其它区别，特别是粘弹性流体的初始剪切速率往往取决于流体的惯性和实验仪

46、器的惯性，而触变性/反触变性流体的初始剪切速率主要取决于流体的初始粘度。-二、粘弹性流体的流变特征二、粘弹性流体的流变特征 1.法向应力与法向应力差 12211N23322N为第一法向应力差，产生轴向压力，引起韦森堡效应与挤出物胀大。为第二法向应力差，产生径向压力，是半径的函数，通常很小。-2.应力松弛-3.弹性滞后-4.蠕变与回复 蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间延长而增加的现象。蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间延长而增加的现象。-5.线性粘弹性和非线性粘弹性 线性粘弹性：即应力、应变和应变速率之间成线性关系，在较低的剪切速率下才能出现这种线性特性。非线性粘弹

47、性：在较高的剪切速率下，应力、应变和应变速率之间不成线性关系。目前人们对粘弹性流体流变性的认识、描述在很大程度上仍停留在线性粘弹性范围。-一、元件模型一、元件模型1.弹性元件 用弹簧表示弹性元件。其基本特点是：(1)应力与应变关系方程服从虎克定律：(或=E)(2)应力和应变一一对应，与时间无关。(3)弹簧的应变瞬时可以发生，应力消除后，应变立即消除。三、三、线性粘弹性体线性粘弹性体(模型模型)G-2.粘性元件粘性元件用粘壶表示：其基本特点为：(1)受力与流动服从牛顿内摩擦定律：(2)没有瞬时应变(粘性阻滞所致)，即在t0时刻，开始施加剪切应力时，应变为零，但应变速率不为零。(3)由 得 ，又t

48、0时，得 0，则 因此，在恒应力作用下，应变可无限增加。(4)应力消除后，应变不能回复。dtddtdCt t-二、二元模型二、二元模型1.Maxwell（粘弹串联）模型在串联方式下：dtddtddtdvEVEVE将应变对时间求导，得：vvdtddtdGdtdEv1对于弹性元件：对于粘性元件：dtddtdG1G或-麦克斯韦体的流变特点：（1）力学响应特性：有瞬时应变，即瞬间承受外力时，弹簧产生瞬时应变。（2）恒定剪切应力 作用下的应变变化特性（蠕变/回复特性）。设t=0时，对麦克斯韦体施加一恒定的应力 ，则0ct G0GcGt 本构方程变为 ，积分有 ，又由初始条件，t=0时，仅弹簧产生瞬时应变

49、，即 ，即-（3）恒应变作用下的应力变化特点（应力松弛特性）tGe0ate0-（3）恒应变作用下的应力变化特点（应力松弛特性）-（4）恒）恒 特性特性当当 （常数）时，本构方程为（常数）时，本构方程为0 0a-在并联方式下：则：或dtdGG2.VoightKelvin模型EVEV-一、概述一、概述 按照分散相颗粒的大小，可以把液体类的分散体系分为如下几类：高粒度悬浮液，粒子直径大于10m；悬浮液，粒子直径为100.1m；溶胶，粒子直径为1001nm；真溶液，分子状态分散。当分散相粒子尺寸比分散介质的分子间距离大时，就可把这种体系作为悬浮液处理。可以说悬浮液是固体颗粒(广义上包括液体颗粒)作为分

50、散相与液体介质(分散介质)所构成的多相分散体系。以悬浮液为研究对象的流变学称为悬浮液流变学。2.5 悬浮液微观流变学悬浮液微观流变学-悬浮液的流变性根本上是由悬浮液的内部结构性质决定的，如分散相浓度、颗粒形状、颗粒大小与分布、颗粒的界面性质、液体的极性、颗粒间的作用性质等。强调：表示悬浮液内相浓度的参数是内相颗粒占悬浮液的体积，即体积分数，而不是质量分数。微观流变学注重在分子和颗粒水平上解释或描述宏观流变现象，注重流体的微观结构与其流变性之间的关系，依据物理概念将物质的微观结构模型化，经数学推导，建立物质的本构方程。-二、作用在分散相颗粒上的力二、作用在分散相颗粒上的力 1.胶体源力 胶体源力