流变学 

流变学(英語:rheology)研究的是在外力作用下,物体的变形和流动,研究对象主要是流体,还有软固体或者在某些条件下固体可以流动而不是弹性形变。[1]它适用于具有复杂结构的物质,包括泥浆污泥悬浮液聚合物、食品、体液和其他生物材料。这些物质的流动在固定温度下不能用单一粘度值来表征[2]——存在其他一些因素影响粘度的改变。例如,摇动番茄醬可以减小它的粘度,但是水却不行。自从艾萨克·牛顿提出粘度的概念,粘度可变的液体研究也被称作非牛顿流体力学[1]“流变学”一词由拉法耶特学院尤金·宾汉教授根据他的同事马尔克斯·雷纳建议于1920年首创。[3]这个词从误传为赫拉克利特的名言"Panta Rei",即“一切可流”(实际上来自辛普里丘著作)。

尽管通过实验表征材料的流变行为称为流变技术,“流变学”一词还是经常被用作流变技术的同义词,特别是实验家们。流变学的理论方面与材料的流动/形变行为和其内部结构有关(比如,聚合物分子的朝向和伸长),并且流动/形变不能够用经典流体力学或者弹性理论来表述。

为了研究力引起的变形,流变学有实验与理论模拟两个互相促进的途径。试验方面采用多种流变仪,比如毛细管流变仪来测量在不同剪切应力作用下,流体粘度、流速等的变化,再进行分析,从中得出该物质的模量分子量等重要性质。医学检查上常用的血流变测定也是此原理。也可以通过流变仪模拟流体在注射等成型过程中所受的应力和流体的变形,使得流变学成为研究高分子加工过程所必需的内容。

理论模拟是通过实验数据提出符合此类物质的物理背景,将其与普适的数学模型相结合。目标是可以通过数学计算描述流体运动。其物理背景较为复杂,对于纯弹性物体,可以用虎克定律来描述,即应力与应变成正比。对于牛顿流体,可以用应力=粘度×应变速率来描述。但是现实中的固体存在不符合胡克定律的塑性变形,液体也全是非牛顿流体。特别对于高分子,具有粘弹性性质,情况复杂。其数学模型主要借助于连续介质力学。目前对于一般流体的简单流动,理论模拟效果较好,但是对于复杂流道,由于存在很多复杂的边界效应,目前的计算能力还无法给出比较好的结果,这也成为近来流变学研究的重要方向。

  1. ^ 1.0 1.1 W. R. Schowalter (1978) Mechanics of Non-Newtonian Fluids Pergamon ISBN 0-08-021778-8
  2. ^ While the viscosity of liquids normally varies with temperature, it is variations with other factors which are studied in rheology
  3. ^ J. F. Steffe (1996) Rheological Methods in Food Process Engineering 2nd ed ISBN 0-9632036-1-4 page 1



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