剪切应力下的流体行为探索：稀化与增稠的CFD分析

要点

• 作用在流体上引起剪切流的外力称为剪切应力。
• 屈服应力是流体达到结构化流动时所施加的应力。
• 在剪切增稠流体中，剪切稀化行为的破坏发生在临界剪切应力下，并随着粘度的增加而在流体行为中带来类似固体的转变

在剪切稀化流体中，粘度发生大幅下降时的剪切应力值称为临界剪切应力

流体变形与力和时间有关。流变学是对流动以及变形如何与力和时间相互关联的研究。流变学研究涉及固体变形、液体流动和粘弹性材料的行为，显示固体和液体的特性。

在研究流体变形时，您可能会遇到不同的牛顿和非牛顿流体行为。两种这样的行为是剪切稀化和剪切增稠。临界剪切应力表示剪切稀化流体行为变化的开始。在剪切增稠中，在临界剪切应力下观察到类固体转变。

在本文中，我们将研究临界剪切应力对剪切稀化和稠化流体的影响。

剪切流、剪切应力、剪切应变和剪切速率

在剪切流和拉伸流中，前者是最常见的流动行为。在剪切流中，流体层彼此滑动的速度大于其下方层的速度。最大速度位于顶层，底层静止。

作用在流体上引起剪切流的外力称为剪切应力。表示的剪切应力是每单位面积的力。

流体层上的位移梯度称为剪切应变。当剪切应力在剪切应力的作用下继续增加时，就会产生速度梯度。

速度梯度，也称为剪切率或应变率，是应变随时间的变化率。流体的行为随剪切速率或剪切应力的值而变化。其中一种行为是剪切稀化。

剪切稀化和临界剪切应力

剪切稀化是非牛顿流体中常见的行为。它也称为假塑性流动。剪切稀化是由流体中微观结构水平的重新排列造成的。在施加剪切应力的平面中发生的重新排列改变了流体的行为。在剪切稀化流体中，随着施加的应力增加，流体速度降低。存在一个特定的剪切应力值，在该值处观察到粘度大幅下降，该值称为临界剪切应力。

剪切稀化流体在低剪切速率下表现出恒定的粘度值。剪切稀化流体的恒定粘度值称为零剪切粘度或零剪切粘度平台。随着施加的剪切应力增加，在特定点观察到粘度大幅下降。剪切应力或剪切速率的该值称为临界剪切应力或临界剪切速率。在临界剪切速率点，流体开始发生剪切稀化行为。

屈服应力

乳液、聚合物溶液和熔体是剪切稀化流体的例子。在高度剪切稀化的流体中，粘度达到无限值并且固体的特征变得可见。这种行为在低于临界剪切应力值（称为屈服应力）时出现。由于屈服应力而产生的行为或流动响应称为塑性流动。塑性流动的特点是随着剪切速率接近零，粘度不断增加。

屈服应力的重要性

屈服应力是流体达到结构化流动时所施加的应力。屈服应力在涉及泵送、涂覆和铺展的应用中非常重要。在重力引起的应力相对较低的流体中，屈服应力会抑制流动。这主要被视为阻燃涂料、油漆、石膏、粘合剂等产品的抗坍落度和流挂性。屈服应力在流体流动中引入了所需和不需要的质量。

接下来，让我们看看临界剪切应力如何影响剪切增稠。

剪切增厚和临界剪切应力

在某些流体中，粘度随着剪切速率或剪切应力的增加而增加。这种流体称为剪切增稠流体，这种现象称为剪胀性。剪切增稠通常表现为具有高浓度固体颗粒的颗粒悬浮液或分散体。

剪切增稠液用于减震器和防护设备。大多数剪切增稠流体在低剪切速率和应力下表现出剪切稀化行为。剪切稀化行为的破坏发生在临界剪切应力下，并随着粘度的增加而在流体行为中带来类似固体的转变。

临界剪切应力是影响流体流动响应的重要参数。表现出剪切增稠和剪切稀化特性的流体行为取决于临界剪切应力。  

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