Ньютоновская жидкость
Часть серии о |
Механика сплошных сред |
---|
Ньютоновская жидкость — это жидкость , в которой вязкие напряжения, возникающие в результате ее течения , в каждой точке линейно коррелируют с локальной скоростью деформации — скоростью изменения ее деформации с течением времени. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Напряжения пропорциональны скорости изменения вектора скорости жидкости .
Жидкость является ньютоновской только в том случае, если тензоры , описывающие вязкое напряжение и скорость деформации, связаны тензором постоянной вязкости , не зависящим от напряженного состояния и скорости потока. Если жидкость также изотропна (механические свойства одинаковы во всех направлениях), тензор вязкости уменьшается до двух действительных коэффициентов, описывающих сопротивление жидкости непрерывной сдвиговой деформации и непрерывному сжатию или расширению соответственно.
Ньютоновские жидкости — это самые простые математические модели жидкостей, учитывающие вязкость. Хотя ни одна реальная жидкость не соответствует этому определению идеально, многие распространенные жидкости и газы, такие как вода и воздух, для практических расчетов в обычных условиях можно считать ньютоновскими. Однако неньютоновские жидкости относительно распространены и включают ооблек (который становится более жестким при сильном сдвиге) и некапающую краску (которая становится тоньше при сдвиге ). Другие примеры включают растворы многих полимеров (которые демонстрируют эффект Вейсенберга ), расплавленные полимеры, многие твердые суспензии, кровь и большинство высоковязких жидкостей.
Ньютоновские жидкости названы в честь Исаака Ньютона , который первым использовал дифференциальное уравнение , чтобы постулировать связь между скоростью сдвиговой деформации и напряжением сдвига для таких жидкостей.
Определение
[ редактировать ]Элемент текущей жидкости или газа будет выдерживать силы окружающей жидкости, включая силы вязкого напряжения , которые заставляют его постепенно деформироваться с течением времени. Эти силы могут быть математически первого порядка аппроксимированы тензором вязких напряжений , обычно обозначаемым .
Деформацию жидкого элемента относительно некоторого предыдущего состояния можно аппроксимировать первого порядка тензором деформации , который меняется со временем. Производная по времени этого тензора — это тензор скорости деформации , который выражает, как деформация элемента меняется со временем; а также градиент скорости векторного поля в этот момент часто обозначается .
Тензоры и может быть выражено матрицами 3×3 относительно любой выбранной системы координат . Жидкость называется ньютоновской, если эти матрицы связаны уравнением где представляет собой фиксированный тензор четвертого порядка размером 3×3×3×3, не зависящий от скорости и напряженного состояния жидкости.
Несжимаемый изотропный случай
[ редактировать ]Для несжимаемой и изотропной ньютоновской жидкости в ламинарном потоке только в направлении x (т.е. там, где вязкость в жидкости изотропна), напряжение сдвига связано со скоростью деформации простым определяющим уравнением где
- - напряжение сдвига (« сопротивление кожи ») в жидкости,
- — скалярная константа пропорциональности, динамическая вязкость жидкости
- – производная в направлении y, нормальном к x, компоненты скорости потока u, ориентированной вдоль направления x.
В случае общего двумерного течения несжимаемой жидкости в плоскости x, y материальное уравнение Ньютона принимает вид:
где:
- - напряжение сдвига (« сопротивление кожи ») в жидкости,
- – частная производная по направлению y компоненты скорости потока u, ориентированной вдоль направления x.
- – частная производная по направлению x компоненты скорости потока v, ориентированной вдоль направления y.
Теперь мы можем обобщить случай несжимаемого потока с общим направлением в трехмерном пространстве: приведенное выше материальное уравнение принимает вид где
- это пространственная координата
- - скорость жидкости в направлении оси
- это -я компонента напряжения, действующего на грани жидкого элемента, перпендикулярные оси . Это ij-я компонента тензора сдвиговых напряжений.
или записано в более компактной тензорной записи где – градиент скорости потока.
Альтернативный способ формулировки этого материального уравнения:
где – тензор скорости деформации . Таким образом, это разложение можно сделать явным как: [ 5 ]
Это материальное уравнение также называют ньютоновским законом вязкости .
Тензор полного напряжения всегда можно разложить как сумму тензора изотропных напряжений и тензора девиаторных напряжений ( ):
В несжимаемом случае изотропное напряжение просто пропорционально термодинамическому давлению. :
а девиаторное напряжение совпадает с тензором касательных напряжений :
напряжение уравнение, определяющее Тогда , принимает вид или записано в более компактной тензорной записи где является тождественным тензором.
Общий сжимаемый корпус
[ редактировать ]Основополагающий закон Ньютона для сжимаемого потока вытекает из следующих предположений о тензоре напряжений Коши: [ 5 ]
- напряжение является инвариантом Галилея : оно не зависит напрямую от скорости потока, а только от пространственных производных скорости потока. Таким образом, переменная напряжения — это тензорный градиент. скорости или, проще говоря, тензор деформации :
- девиаторное напряжение линейно по этой переменной: , где не зависит от тензора скорости деформации, – тензор четвертого порядка, представляющий константу пропорциональности, называемую тензором вязкости или эластичности , и : – произведение двойных точек .
- жидкость предполагается изотропной , как газы и простые жидкости, и, следовательно, – изотропный тензор; кроме того, поскольку тензор девиаторных напряжений симметричен, с помощью разложения Гельмгольца его можно выразить через два скалярных параметра Ламе , второй вязкости и динамическая вязкость , как это обычно бывает в линейной упругости :
линейного напряжения Определяющее уравнение (выражение аналогично уравнению для упругого тела)
где – тождественный тензор и — след тензора скорости деформации. Таким образом, это разложение можно явно определить как:
Поскольку след тензора скорости деформации в трех измерениях — это дивергенция (т.е. скорость расширения) потока:
Учитывая это соотношение и поскольку след тождественного тензора в трех измерениях равен трем:
след тензора напряжений в трех измерениях принимает вид:
Итак, поочередно разложив тензор напряжений на изотропную и девиаторную части, как обычно в гидродинамике: [ 6 ]
Представляем объемную вязкость ,
приходим к линейному материальному уравнению в форме, обычно используемой в теплогидравлике : [ 5 ]
которое также можно представить в другой обычной форме: [ 7 ]
Обратите внимание, что в сжимаемом случае давление больше не пропорционально члену изотропного напряжения , поскольку существует дополнительный член объемной вязкости:
и девиаторный тензор напряжений по-прежнему совпадает с тензором касательных напряжений (т. е. девиаторное напряжение в ньютоновской жидкости не имеет нормальных компонентов напряжения) и в дополнение к несжимаемому случаю имеет член сжимаемости, который пропорционален сдвиговой вязкости:
Обратите внимание, что несжимаемый случай соответствует предположению, что давление сдерживает поток так, что объем жидких элементов постоянен: изохорный поток приводит к соленоидальному полю скорости с . [ 8 ] Итак, мы возвращаемся к выражениям для давления и девиаторного напряжения, рассмотренным в предыдущем абзаце.
Обе объемные вязкости и динамическая вязкость не обязательно должны быть постоянными - как правило, они зависят от двух термодинамических переменных, если жидкость содержит один химический вид, скажем, например, давление и температуру. Любое уравнение, которое делает явным один из этих коэффициентов переноса в переменных сохранения, называется уравнением состояния . [ 9 ]
Помимо зависимости от давления и температуры, второй коэффициент вязкости также зависит от процесса, то есть второй коэффициент вязкости не является просто свойством материала. Пример: в случае звуковой волны с определенной частотой, которая попеременно сжимает и расширяет жидкий элемент, второй коэффициент вязкости зависит от частоты волны. Эта зависимость называется дисперсией . В некоторых случаях вторая вязкость можно считать постоянным, и в этом случае влияние объемной вязкости заключается в том, что механическое давление не эквивалентно термодинамическому давлению : [ 10 ] как показано ниже. Однако в большинстве случаев этой разницей обычно пренебрегают (то есть всякий раз, когда мы не имеем дело с такими процессами, как поглощение звука и затухание ударных волн). [ 11 ] где становится важным второй коэффициент вязкости), явно предполагая . Предположение о настройке называется гипотезой Стокса . [ 12 ] Справедливость гипотезы Стокса может быть продемонстрирована для одноатомного газа как экспериментально, так и на основе кинетической теории; [ 13 ] для других газов и жидкостей гипотеза Стокса в целом неверна.
Наконец, обратите внимание, что гипотеза Стокса менее ограничительна, чем гипотеза несжимаемого потока. Действительно, в несжимаемом потоке исчезает как член объемной вязкости, так и член сдвиговой вязкости в дивергенции члена скорости потока, тогда как в гипотезе Стокса первый член также исчезает, но второй остается.
Для анизотропных жидкостей
[ редактировать ]В более общем смысле, в неизотропной ньютоновской жидкости коэффициент связывающий напряжения внутреннего трения с пространственными производными поля скорости, заменяется девятиэлементным тензором вязких напряжений .
Существует общая формула для силы трения в жидкости: Векторный дифференциал силы трения равен тензору вязкости, умноженному на векторный дифференциал вектора площади соприкасающихся слоев жидкости и ротора скорости : где вязкости – тензор . Диагональные компоненты тензора вязкости – это молекулярная вязкость жидкости, а не диагональные компоненты – турбулентная вихревая вязкость . [ 14 ]
Ньютоновский закон вязкости
[ редактировать ]Следующее уравнение иллюстрирует связь между скоростью сдвига и напряжением сдвига для жидкости с ламинарным течением только в направлении x : где:
- - напряжение сдвига в компонентах x и y, т.е. составляющая силы в направлении x на единицу поверхности, которая перпендикулярна направлению y (то есть параллельна направлению x)
- вязкость, а
- - градиент скорости потока вдоль направления y, нормального к скорости потока .
Если вязкость постоянна, жидкость является ньютоновской.
Модель степенного закона
[ редактировать ]Степенная модель используется для отображения поведения ньютоновских и неньютоновских жидкостей и измеряет напряжение сдвига как функцию скорости деформации.
Взаимосвязь между напряжением сдвига, скоростью деформации и градиентом скорости для степенной модели следующая: где
- – абсолютное значение скорости деформации в ( n −1) степени;
- – градиент скорости;
- n – показатель степенного закона.
Если
- n < 1, то жидкость является псевдопластической.
- n = 1, то жидкость является ньютоновской жидкостью.
- n > 1, то жидкость является дилатантом.
Жидкостная модель
[ редактировать ]Взаимосвязь между напряжением сдвига и скоростью сдвига в модели кассонной жидкости определяется следующим образом: где τ 0 — предел текучести и где α зависит от белкового состава, H — гематокритное число.
Примеры
[ редактировать ]Вода , воздух , спирт , глицерин и жидкое моторное масло — все это примеры ньютоновских жидкостей в диапазоне сдвиговых напряжений и скоростей сдвига, встречающихся в повседневной жизни. Однофазные жидкости, состоящие из небольших молекул, обычно (хотя и не исключительно) являются ньютоновскими.
См. также
[ редактировать ]- Гидравлическая механика
- Неньютоновская жидкость
- Тензор скорости деформации
- Вязкость
- Тензор вязких напряжений
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пантон, Рональд Л. (2013). Несжимаемый поток (Четвертое изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. п. 114. ИСБН 978-1-118-01343-4 .
- ^ Бэтчелор, ГК (2000) [1967]. Введение в гидродинамику . Серия Кембриджской математической библиотеки, издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66396-0 .
- ^ Кунду, П.; Коэн, И. Механика жидкости . п. (нужна страница).
- ^ Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномеханика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0 – через kirbyresearch.com.
- ^ Перейти обратно: а б с Бэтчелор (1967), стр. 137 и 142.
- ^ Хорин, Александр Э.; Марсден, Джеррольд Э. (1993). Математическое введение в механику жидкости . п. 33.
- ^ Берд, Стюарт, Лайтфут, Транспортные явления, 1-е изд., 1960, экв. (3.2-11а)
- ^ Бэтчелор (1967) с. 75.
- ^ Бэтчелор (1967) с. 165.
- ^ Ландау и Лифшиц (1987), стр. 44–45, 196.
- ^ Белый (2006) с. 67.
- ^ Стоукс, Г.Г. (2007). О теориях внутреннего трения движущихся жидкостей, равновесия и движения упругих тел.
- ^ Винченти, WG, Крюгер-младший, CH (1975). Введение в физическую газодинамику. Введение в физическую газодинамику/Хантингтон.
- ^ Волобуев, АН (2012). Основы несимметричной гидромеханики . Нью-Йорк: Nova Science Publishers, Inc. ISBN 978-1-61942-696-2 .