1687年,牛顿通过剪切流动实验,得到流体的粘性定律,后来人们把剪应力与剪切变形速率呈线性关系的流体称为牛顿流体。
牛顿剪切流动试验示意图
自制非牛顿流体泥,事实上,在自然界、工业生产以及生活中,常见的流体绝大多数都不满足牛顿粘性定律,为了加以区别,这类流体被我们称之为“非牛顿流体”。
事实上,在自然界、工业生产以及生活中,常见的流体绝大多数都不满足牛顿粘性定律,为了加以区别,这类流体被我们称之为“非牛顿流体”。
1.非牛顿流体需要按比例称量好需要的淀粉和水的用量,可以事先买一包淀粉,准备一个空的。2.将淀粉和水倒入容器中。3.用手搅拌均匀,如果觉得液体太过稀,再加入一定量的淀粉,一直不停的搅拌即可。4.最后当你用手指触碰。
四种典型流体的剪切力与剪切变形速率关系曲线
严格来讲,流体的属性并不是绝对的,通常还会受到温度、溶液浓度等因素影响,所以下图中展示的只是某种流体常见状态下的归类,方便我们后面一般意义上的讨论与交流。
流体分类导图(根据网络整理)
John Mainstone与沥青滴漏实验装置
制作非牛顿液体,首先需要准备好水、淀粉、食用色素等材料,然后将水和淀粉以44比72的比例混合均匀,再用手搅拌抓开,静置片刻,等混合物稍微凝固之后用手指用力在表面画,如果形成小裂缝,说明非牛顿流体制作成功,加入食用。
非牛顿流体中的胀塑性流体无疑是流体中的世界级网红,它很奇特,人可以在上面快速跑动,但是静站在上面就会陷下去,它的力学特点是表观粘度随剪切速率的增大而增大,通俗地讲就是“你刚(快)我强,你弱(慢)我柔”,可以抵抗冲击,但是轻抚就稀碎,所以有人建议拿它来做防弹衣。
胀塑性流体
如何用Abaqus模拟非牛顿流体?
Abaqus中可以用来描述非牛顿流体剪切粘度的模型有:
非牛顿流体实验操作方法如下:碗中倒入适量淀粉,将色素倒入水里后,与淀粉混合均匀。非牛顿流体完成,硬敲纹丝不动,慢慢划下去才能留下痕迹。痕迹恢复十分迅速,最后再加入一些金色闪粉亮片即可。准备材料:淀粉、量杯、色素。
•Power law
•Carreau-Yasuda
•Cross
•Herschel-Bulkey
•Powell-Eyring
•Ellis-Meter
这些模型适用于不同类型的非牛顿流体,有的是比较通用的形式,比如Power law(幂律模型),适用于广泛剪切变形速率下的假塑性流体或胀塑性流体;有的是专用形式,比如Carreau-Yasuda模型,用于高分子聚合物的剪切变稀行为,可以用来模拟血液等流体。帮助文档对这些模型的使用有比较详细的介绍,需要时可以查询。
做非牛顿液体首先要用到淀粉,注意比例,淀粉和水的比例是调制的关键,找到合适的配比,就完成了。所需材料:水、淀粉、食用色素 具体步骤:1、首先准备好清水和淀粉。(淀粉可以是土豆淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉)。。
另外,还可以通过表格或子程序定义剪切粘度:
•Tabular form
企业回联净自动化专业PTFE设备,用于聚四氟乙烯(PTFE)薄膜制造工序中的纵向拉伸,聚四氟乙烯(PTFE)制成的膜片依靠辊筒的不同速比和一定的温度下
•User subroutine VUVISCOSITY
界面下无法完成非牛顿流体相关参数的直接输入,一种方式是通过菜单栏或模型树中的Model→Edit Keywords来添加剪切粘度的关键字;另一种是直接修改生成的inp文件。
非牛顿流体剪切粘度定义方式
案例 1
旋转的金属叶轮从同一高度落入玉米淀粉溶液,转速较低的时候,液体表现出的粘度较小,叶轮更容易陷入其中;转速较高的情况下,流体表现出更大的粘度,叶轮可以在液体表面“奔跑”。
方法:1、非牛顿流体需要按比例称量好需要的淀粉和水的用量,可以事先买一包淀粉,准备一个空的大塑料瓶,先倒入半瓶淀粉,然后准备一杯清水。2、将淀粉和水倒入容器中。3、用手搅拌均匀,如果觉得液体太过稀,再加入一定。
玉米淀粉溶液(CEL)
案例 2
挤牙膏,牙膏属于宾汉流体,这种流体存在一个屈服应力,只有先克服这个最小应力,流体才会流动,就像牙膏表现出的那样:“不挤不流”。
在Abaqus中没有宾汉流体的直接模型,但是这并不影响,因为Abaqus有一个更广义的Herschel-Bulkey Model(赫巴模型),可以用来定义宾汉流体的剪切粘度,模型中的流动行为指数n=1的情况下,Herschel-Bulkey模型退化为Bingham模型,所以我们把指数定义为1就可以了。
牙膏筒的头部和底部几何建模可以通过回转与平面草图实现,中间部分用Loft过渡,内部的牙膏通过牙膏筒封闭面的方式来创建实体。
牙膏筒与牙膏的几何模型
挤牙膏(SPH)