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简答题阐述几种常见流体的流型成因。
  • (1)Newton流体。甘油、蔗糖水之类的流体组成物质(分散相质点、溶质分子或纯液体物质分子)之间在静止时没有形成“可变结构”,在流动时也无“可变结构”形成。在一般剪切速率范围内都是一种稳固的结构(象水等有分子间氢键的笼型结构,通常认为不受剪切速率变化影响)或无结构状态。
    (2)塑性流体。苹果酱、番茄酱、牙膏和芥末辣酱之类的流体,当流体中分散相质点相互接触时,形成三维网络结构,若破坏该结构需要一定剪切应力强度,只要剪切应力超过ηy(屈服应力),已形成的结构即可拆散,流体就产生流动。ηy代表使流体流动所消耗的额外力。流体流动时,结构的形成与拆散是伴随发生的。因此,任何流体都存在着结构形成与拆散速率相等的平衡状态,此时流体有一个近似恒定的塑性黏度ε。不同流体该平衡态也不同。在平衡态之前,测定流体黏度时,黏度总是随测定时间延长而增大,在平衡态之后,黏度随测定时间延长而减小。当停止流动时,流体还会逐渐恢复原来静止时的结构,当然由于受到剪切作用,结构不一定完全复原。故多次剪切同一流体,测得的黏度和流变曲线不一定完全相同。
    (3)假塑性流型。淀粉、羧甲基纤维素、橡胶、藻蛋白酸钠和发生絮凝的溶胶中的分散相颗粒相互间结合或黏附较弱,不能形成结构,表观黏度 a的减小是不对称颗粒在高剪切流场中逐渐高度定向的结果。即使该类流体中分散相颗粒能形成结构,强度极弱,屈服应力几乎为零,流动中结构破坏后不易恢复,故表观黏度总是随剪切速率增大而降低。
    发生絮凝的溶胶,在剪切应力作用下,溶胶的絮凝结构被拆散,黏度降低,直至结构完全拆散,黏度降至最低,又回到溶胶状态。在该体系中存在分散相颗粒的定向与非定向、颗粒分散与聚结状态的平衡。若平衡所需时间很长,流体就表现出触变特性。
    (4)胀型流体。具有剪切稠化现象的流体,静止时其分散相颗粒多为紧密填充状态,作为分散介质的水填充在孔隙中。施加的剪切应力很小时,流体缓慢流动,有水的润滑与流动,分散体系黏度较小。当流体受到较大的剪切应力作用(如搅动)时,处于紧密排列的颗粒被彻底搅乱,形成疏松排列结构,粒间孔隙增大,颗粒有效体积增大。此时分散介质不足以填满孔隙,使相互接触的颗粒表面液层减薄,消弱了原有液层的润滑作用,导致流体流动阻力增大,流体黏度大增,甚至失去流动性,呈现剪切稠化现象,流体具有膨胀流型。
    (5)触变流体。触变性的形成是个比较复杂的过程,触变性流体也是个复杂体系,其形成机理目前仍没有非常一致的观点,但比较流行的说法有两种:
    ①静电作用。分散相颗粒荷电,有静电吸引与排斥作用,相距一定的静止颗粒的两种力达到平衡时,形成凝胶。搅动后,凝胶遭到破坏,分散相颗粒呈分散状态而自由运动,形成溶胶。但该理论不适于非水分散介质,亦无法解释不对称性颗粒更易形成凝胶,触变性更突出的现象;
    ②机械钩挂作用。分散体系静止时,分散相颗粒之间相互搭架子而形成结构,受到剪切作用而发生流动时,架子被拆散。拆散架子与架子重新搭起均需要时间,故而表现出触变性。该理论可解释针状和片状的分散相颗粒容易形成结构,触变性突出的现象,是最流行的一种理论。但对分散相浓度很低(小于1%)的分散体系,微观分析并未发现有颗粒间相互接触,却表现出触变性的现象无法解释。
    (6)胶变流体。其成因是,流体在流动时,增大了质点接触的机会,接触后的质点很快形成结构,流动越来越困难。流体中的质点具有极不对称形状且质点相互间引力和黏聚力突出时,易呈胶变性质。
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