Jump to content

Ньютоновская жидкость

(Перенаправлено из ньютоновской жидкости )

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

В случае общего двумерного течения несжимаемой жидкости в плоскости x, y материальное уравнение Ньютона принимает вид:

где:

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:

напряжения Стокса Определяющее уравнение (выражение, используемое для несжимаемых упругих тел)

где – тензор скорости деформации . Таким образом, это разложение можно сделать явным как: [ 5 ]

Уравнение состояния напряжений Стокса (выражение, используемое для несжимаемых вязких жидкостей)

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 ]

Определяющее уравнение линейного напряжения (выражение, используемое для жидкостей)

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 ]
Синий цвет представляет собой ньютоновскую жидкость по сравнению с дилатантом и псевдопластиком, угол зависит от вязкости.

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.

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 ]
  1. ^ Пантон, Рональд Л. (2013). Несжимаемый поток (Четвертое изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. п. 114. ИСБН  978-1-118-01343-4 .
  2. ^ Бэтчелор, ГК (2000) [1967]. Введение в гидродинамику . Серия Кембриджской математической библиотеки, издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-66396-0 .
  3. ^ Кунду, П.; Коэн, И. Механика жидкости . п. (нужна страница).
  4. ^ Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномеханика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-11903-0 – через kirbyresearch.com.
  5. ^ Перейти обратно: а б с Бэтчелор (1967), стр. 137 и 142.
  6. ^ Хорин, Александр Э.; Марсден, Джеррольд Э. (1993). Математическое введение в механику жидкости . п. 33.
  7. ^ Берд, Стюарт, Лайтфут, Транспортные явления, 1-е изд., 1960, экв. (3.2-11а)
  8. ^ Бэтчелор (1967) с. 75.
  9. ^ Бэтчелор (1967) с. 165.
  10. ^ Ландау и Лифшиц (1987), стр. 44–45, 196.
  11. ^ Белый (2006) с. 67.
  12. ^ Стоукс, Г.Г. (2007). О теориях внутреннего трения движущихся жидкостей, равновесия и движения упругих тел.
  13. ^ Винченти, WG, Крюгер-младший, CH (1975). Введение в физическую газодинамику. Введение в физическую газодинамику/Хантингтон.
  14. ^ Волобуев, АН (2012). Основы несимметричной гидромеханики . Нью-Йорк: Nova Science Publishers, Inc. ISBN  978-1-61942-696-2 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0d120af75fdd20faa209b7ee8bae5a42__1717158000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/0d/42/0d120af75fdd20faa209b7ee8bae5a42.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Newtonian fluid - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)