流體流動(dòng)的基本概念

1、剪切速率基本概述流體的流動(dòng)速相對(duì)圓流道半徑的變化速率剪切速率(shear rate) 公式：剪切速率=流速差/所取兩頁(yè)面的高度差 塑料熔體注塑時(shí)流道的剪切速率一般不低于1000S 澆口的剪切速率一般在100000S1000000S 具體介紹粘度為液體分子內(nèi)摩擦的量度，也是物體粘流性質(zhì)的一項(xiàng)具體反映。粘度的定義為一對(duì)平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體。今對(duì)上板施加一推力F，使其產(chǎn)生一速度變化du。由于液體的粘性將此力層層傳遞，各層液體也相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，形成一速度梯度dudr，稱(chēng)剪切速率，以r表示。FA稱(chēng)為剪切應(yīng)力，以表示。剪切速率與剪切應(yīng)力間具有如下關(guān)系：（FA）=（dudr），此比例系數(shù)即被

2、定義為液體的剪切粘度（另有拉伸粘度，剪切粘度平時(shí)使用較多，一般不加區(qū)別簡(jiǎn)稱(chēng)粘度時(shí)多指剪切粘度）， 故=（FA）（dudr）=r。 粘度單位常用“泊”，以P表示。部分粘度單位換算如下： 1泊（P）=0.1牛頓秒米2（Ns/m2）=3.6×102千克米時(shí)（kg/mh）、 1千克力秒米2（kgfs/m2）=1Pa.s=98.07泊（P）。 PVC與大部分聚合物一樣，影響其粘度的因素有： 1， 溫度T，PVC粘度隨溫度升高呈指數(shù)下降。 當(dāng)剪切速率r=100/s時(shí) ，溫度T=150， 軟質(zhì)PVC的粘度=6200 Pa.s=608047泊（P）。 硬質(zhì)PVC的粘度=17000 Pa.s=1677

3、900泊（P）。 溫度T=190， 軟質(zhì)PVC的粘度=310 Pa.s=30597泊（P）。 硬質(zhì)PVC的粘度=600 Pa.s=59220泊（P）。 2， 剪切速率r，剪切速率r增加，PVC粘度下降。 溫度T=150時(shí)，剪切速率r=100/s， 軟質(zhì)PVC的粘度=6200 Pa.s=608047泊（P）。 硬質(zhì)PVC的粘度=17000 Pa.s=1677900泊（P）。 剪切速率r=1000/s， 軟質(zhì)PVC的粘度=900 Pa.s=88263泊（P）。 硬質(zhì)PVC的粘度=2000 Pa.s=197400泊（P）。 3，壓力，在同一溫度下，增壓會(huì)增加PVC的粘度。剪切應(yīng)力為，剪切速率為

4、21;，則粘度/Ý，稱(chēng)為動(dòng)力粘度，單位為Pa.s（泊），常用單位為mPa.s（如一般原油測(cè)試的粘度）。一般現(xiàn)在流變儀測(cè)試的粘度結(jié)果都是1/s；而一些以前的粘度計(jì)測(cè)試的結(jié)果卻是rpm，它換算成1/s估計(jì)有些困難，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子屬于相對(duì)測(cè)試系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子尺寸和測(cè)量杯的尺寸的影響，無(wú)法準(zhǔn)確得到其剪切速率。一、流體流動(dòng)的基本概念     1剪切速率和剪切應(yīng)力    液體與固體的重要區(qū)別之一是液體具有流動(dòng)性，就是說(shuō)，加很小的力就能使液體發(fā)生變形，而且只要力作用的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，很小的力就能使液體發(fā)生很大的變形。以河水在水面的

5、流速分布為例，可以觀(guān)察到越靠近河岸，流速越小，河中心處流速最大，河面水的流速分布如圖3-1所示。管道中水的流速分布是中心處流速最大，越向周?chē)魉僭叫?，靠近管壁處流速為零。流速剖面形狀為拋物線(xiàn)。從立體來(lái)看，它像一個(gè)套筒望遠(yuǎn)鏡或拉桿天線(xiàn)，如圖3-2所示。                      水中各點(diǎn)的流速不同，可以設(shè)想將其分成許多薄層。通過(guò)管道中心線(xiàn)上的點(diǎn)作一條流速的垂線(xiàn)，自中心線(xiàn)上的

6、點(diǎn)沿垂線(xiàn)向管壁移動(dòng)位置，隨著位置的變化流速也在發(fā)生變化。液流中各層的流速不同這個(gè)現(xiàn)象，通常是用剪切速率(或稱(chēng)流速梯度)這個(gè)物理量來(lái)描述的。如果在垂直于流速的方向上取一段無(wú)限小的距離缸，流速由I變化到v+dv，則比值dwd工表示在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即剪切速率。剪切速率也可用符號(hào)了來(lái)表示。若剪切速率大，則表示液流中各層之間流速的變化大；反之，流速的變化則小。在SI單位制中，流速的單位為ms，距離的單位為m，所以剪切速率的單位為s-1。鉆井液在循環(huán)過(guò)程中，由于它在各個(gè)部位的流速不同，因此剪切速率也不相同。流速越大之處剪切速率越高，反之則越低。一般情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在

7、10一20s-1；沸慰占?0250 s-1；鉆桿內(nèi)1001 000 s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在10 000100 000 s-1。    液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體內(nèi)部?jī)?nèi)聚力的作用，流速較快的液層會(huì)帶動(dòng)流速較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會(huì)阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間會(huì)發(fā)生內(nèi)摩擦作用，即出現(xiàn)成對(duì)的內(nèi)摩擦力(即剪切力)，阻礙液層剪切變形。通常將液體流動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切變形的物理性質(zhì)稱(chēng)做液體的粘滯性。     為了確定內(nèi)摩擦力與哪些因素有關(guān)，牛頓通過(guò)大量

8、實(shí)驗(yàn)研究提出了液體內(nèi)摩擦定律，通常稱(chēng)為牛頓內(nèi)摩擦定律。其內(nèi)容為：液體流動(dòng)時(shí)，液體層與層之間的內(nèi)摩擦力(F)的大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)，并與液層間的接觸面積(S)和剪切速率()成正比，而與接觸面上的壓力無(wú)關(guān)，即                  F S         (3-1)    內(nèi)摩擦力F除以接觸面積

9、S即得液體內(nèi)的剪切應(yīng)力r，剪切應(yīng)力可理解為    單位面積上的剪切力，即        FS         (3-2)    以上兩式中，是量度液體粘滯性大小的物理量，通常稱(chēng)為粘度。的物理意義是產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力。越大，表示產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力越大。粘度是液體的性質(zhì)，不同液體有不同的值。還與溫度有關(guān)，液體的粘度一般隨溫度的升高而降

10、低。     在SI單位制中，r的單位是Pa，的單位是s-1，的單位是Pa·s。由于Pa·s單位太大，在實(shí)際應(yīng)用中一般用mpa·s表示液體的粘度。例如，在20時(shí)，水的粘度1008 7mpa·s。在工程應(yīng)用中，盧的常用單位為厘泊(cP)，cP=1 mpa·s。式(3-2)是牛頓內(nèi)摩擦定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通常將剪切應(yīng)力與剪切速率的：系遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱(chēng)為牛頓流體；不遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱(chēng)為非牛頓流體。水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體，高分子聚合物的濃溶

11、液和懸浮液等一般為非牛流體。大多數(shù)鉆井液都屬于非牛頓流體。    2流變模式和流變曲線(xiàn)    剪切應(yīng)力和剪切速率是流變學(xué)中的兩個(gè)基本概念，鉆井液流變性的核心題就是研究各種鉆井液的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系。這種關(guān)系可以用學(xué)關(guān)系式表示，也可以作出圖線(xiàn)來(lái)表示。若用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示時(shí)，稱(chēng)為流變方程習(xí)慣上又稱(chēng)為流變模式，如式(3-2)就是牛頓流體的流變模式。若用圖線(xiàn)來(lái)表時(shí)，就稱(chēng)為流變曲線(xiàn)。    當(dāng)對(duì)某種鉆井液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，求出一系列的剪切速率與剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，即在直角坐標(biāo)圖上作出剪切速

12、率隨剪切應(yīng)力變化的曲線(xiàn)，或剪切應(yīng)力隨剪切速變化的曲線(xiàn)。這兩種形式是一樣的，只是縱、橫坐標(biāo)互換了一下。鑒于目前各：文獻(xiàn)著作中，兩種表示方法同時(shí)存在，所以對(duì)它們都應(yīng)該熟悉。圖3-3a和3-3b分別為兩種液體流變曲線(xiàn)的不同表示方法。由于是通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，很顯然兩液體均為牛頓流體。在圖3-3b中，直線(xiàn)的斜率tan，對(duì)某種液體說(shuō)，是一個(gè)常數(shù)，說(shuō)明在任何剪切速率下，牛頓流體的粘度不變。剪切速率增加一倍，剪切應(yīng)力也相應(yīng)地增加一倍。也就是說(shuō)，只用一個(gè)參數(shù)即可描牛頓流體的流變性。從圖中還可看出，越大，tan越大，即液體的粘度也越大。      

13、0;          3流體的基本流型    按照流體流動(dòng)時(shí)剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同的類(lèi)型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測(cè)出的流變曲線(xiàn)形狀的不同，又可將非牛頓流體的流型歸納為塑性流型、假塑性性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-4。符合這四種流型的分別叫牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。          

14、0;                     前面已提到，牛頓流體是流變性最簡(jiǎn)單的流體。流變方程為式(32)，其意義是，當(dāng)牛頓流體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。從牛頓流體的流變方程和流變曲線(xiàn)可以看出，這類(lèi)流體有如下特點(diǎn)：當(dāng)>O時(shí)，>0，因此只要對(duì)牛頓流體施加一個(gè)外力，即使此力很小，也可以產(chǎn)生一定的剪切速率，即開(kāi)始流動(dòng)。此外，其粘度不隨剪切速率的增減而變化。膨脹

15、流體比較少見(jiàn)。從圖3-4可發(fā)現(xiàn)其流動(dòng)特點(diǎn)是：稍加外力即發(fā)生流動(dòng)；粘度隨剪切速率(或剪切應(yīng)力)增加而增大，靜置時(shí)又恢復(fù)原狀。與假塑性流體相反，其流變曲線(xiàn)凹向剪切應(yīng)力軸。這種流體在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所含有的顆粒是分散的。當(dāng)剪切應(yīng)力增大時(shí)，部分顆粒會(huì)糾纏在一起形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使流動(dòng)阻力增大。    因?yàn)槟壳皬V泛使用的多數(shù)鉆井液為塑性流體和假塑性流體，因此，下面將重點(diǎn)討論這兩種類(lèi)型的非牛頓流體。二、塑性流體    高粘土含量的鉆井液、高含蠟原油和油漆等都屬于塑性流體。與牛頓流體不同，塑性流體當(dāng)0時(shí)，0。也就是說(shuō)，它不是加很小的剪切

16、應(yīng)力就開(kāi)始流動(dòng)，而是必須加一定的力才開(kāi)始流動(dòng)，這種使流體開(kāi)始流動(dòng)的最低剪切應(yīng)力(s)稱(chēng)為靜切應(yīng)力(又稱(chēng)靜切力、切力或凝膠強(qiáng)度)。從圖3-4中塑性流體的流變曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)s時(shí)，在初始階段剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系不是一條直線(xiàn)，表明此時(shí)塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低(圖中曲線(xiàn)段)。繼續(xù)增加剪切應(yīng)力，當(dāng)其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發(fā)生變化，此時(shí)流變曲線(xiàn)變成直線(xiàn)(圖中直線(xiàn)段)。此直線(xiàn)段的斜率稱(chēng)為塑性粘度(表示為P或PV)。延長(zhǎng)直線(xiàn)段與剪切應(yīng)力軸相交于一點(diǎn)0，通常將0 (亦可表示為YP)稱(chēng)為動(dòng)切應(yīng)力(常簡(jiǎn)稱(chēng)為動(dòng)切力或屈服值)。塑性粘度和動(dòng)切力是鉆井液

17、的兩個(gè)重要流變參數(shù)。     引入動(dòng)切力之后，塑性流體流變曲線(xiàn)的直線(xiàn)段即可用下面的直線(xiàn)方程進(jìn)行描述；                0十P             (3-3)此式即是塑性流體的流變模式。因是賓漢首先提出的，該式常稱(chēng)為賓漢模式(BinghamModel)，并將塑性流

18、體稱(chēng)為賓漢塑性流體。    塑性流體表現(xiàn)上述流動(dòng)特性是與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。例如，水基鉆井液主要由粘土、水和處理劑所組成。粘土礦物具有片狀或棒狀結(jié)構(gòu)，形狀很不規(guī)則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。研究表明，粘土顆?？赡艹霈F(xiàn)如圖3-5所描述的三種不同連接方式，即面-面(FacetoFace)、端-面(EdgetoFace)和端-端(EdgetoEdge)連接。這是由于粘土顆粒表面的性質(zhì)(帶電性和水化膜)極不均勻引起的。片狀的粘土顆粒有兩種不同的表面，即帶永久負(fù)電荷的板面(簡(jiǎn)稱(chēng)"面")和既可能帶正電荷也可能帶負(fù)電荷的端面(

19、簡(jiǎn)稱(chēng)"端")，這樣粘土表面在溶液中就可能形成兩種不同的雙電層。一般說(shuō)來(lái)，粘土膠體顆粒的相互作用受三種力的支配，即雙電層斥力、靜電吸引力和范德華引力。粘土顆粒間凈的相互作用力是斥力和吸力的代數(shù)和，因此在不同條件下，會(huì)產(chǎn)生以上三種不同的連接方式。例如，當(dāng)端面帶正電荷時(shí)，板面與端面就由于靜電吸引力占優(yōu)勢(shì)而彼此連接；當(dāng)加入可溶性電解質(zhì)時(shí)，則由于其中的陽(yáng)離子壓縮雙電層使電位降低，從而降低了雙電層斥力，于是引起端-面連接；如果加入的電解質(zhì)足夠多，雙電層斥力降至某種程度之后，則會(huì)發(fā)生面-面連接。        

20、;           三種不同的連接方式將產(chǎn)生不同的后果。面-面連接會(huì)導(dǎo)致形成較厚的片，即顆粒分散度降低，這一過(guò)程通常稱(chēng)為聚結(jié)(Aggregation)；而端-面與端-端連接則形成三維的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)粘土含量足夠高時(shí)，能夠形成布滿(mǎn)整個(gè)空間的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，膠體化學(xué)上稱(chēng)做凝膠結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程通常稱(chēng)為絮凝(Flocculation)。與聚結(jié)和絮凝相對(duì)應(yīng)的相反過(guò)程分別叫做分散(Dispersion)和解絮凝(Defiocculation)，如圖3-5所示。   

21、0;一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒都在不同程度上處在一定的絮凝狀態(tài)。因此，要使鉆井液開(kāi)始流動(dòng)，就必須施加一定的剪切應(yīng)力，破壞絮凝時(shí)形成的這種連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這個(gè)力即靜切應(yīng)力，由于它反映了所形成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，因此又將靜切應(yīng)力稱(chēng)為凝膠強(qiáng)度。    在鉆井液開(kāi)始流動(dòng)以后，由于初期的剪切速率較低，結(jié)構(gòu)的拆散速度大于其恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，因此表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低(即圖3-4中塑性流體的曲線(xiàn)段)。隨著結(jié)構(gòu)拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度相應(yīng)增加。因此，當(dāng)剪切速率增至一定程度，結(jié)構(gòu)破壞的速度和恢復(fù)的速度保持相等(即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡)時(shí)，結(jié)構(gòu)拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，相應(yīng)地粘度亦不再發(fā)生變化(圖中直線(xiàn)段)。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因?yàn)樵搮?shù)不隨剪切應(yīng)力和剪切速率而改變，所以對(duì)鉆井液的水力計(jì)算是很重要的。從賓漢模式可以得出：p=（0）/，塑性粘度的單位為mpa·S。三、假塑性流體    某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。其流變曲線(xiàn)是通過(guò)原點(diǎn)并凸