化工流變學概論

前言

“萬物皆流，萬物皆變?！绷髯儗W是研究和揭示材料流動和變形規(guī)律的科學，為介于化學、力學和工程學之間的交叉學科。流變學研究對象廣泛，具有很強的方法論作用，用流變學觀點和方法研究不同材料和領域已形成了眾多分支學科。主要包括聚合物流變學，石油工程流變學，化工流變學，食品流變學，生物流變學，電磁流變學，非牛頓流體流變學，地質(zhì)流變學，固體流變學，軟固體流變學，懸浮液流變學，化妝品流變學，表面活性劑流變學，界面流變學，含缺陷體流變學，金屬流變學以及最近興起的光流變學等?；ち髯儗W與化工學科的發(fā)展密切相關，已發(fā)展成為化工學科的重要基礎理論之一，同傳遞過程、化工熱力學、化工原理、化學反應工程構(gòu)成化學工程學科的基礎理論體系。本書是在借鑒國內(nèi)外20世紀90年代以后相關文獻的基礎上，結(jié)合編者多年的教學和研究工作編寫而成，力求注重基礎，明確方法，體現(xiàn)新意，深入淺出。本書第一章主要介紹流變學的方法論作用和化工非牛頓流體的基本流變特征；第二章著重介紹與化工流變學密切相關的基本張量知識；第三一第七章分別介紹流變測量學、廣義牛頓流體本構(gòu)方程和觸變性、線性黏彈性流體本構(gòu)方程、非線性黏彈性流體本構(gòu)方程和拉伸流變學；第八章為非牛頓流體力學；第九章介紹石油工程流變學；第十章介紹化工流變動力學的應用。本書旨在為化工專業(yè)的學生拓寬視野，開闊思維，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，加強方法論教學?！暗嗡N含乾坤，流變包羅萬象?！毕抻诰幷咚剑瑫须y免有不妥和疏漏之處，誠望讀者批評指正，在此先致以誠摯的謝意。同時，對在編寫過程中給予作者熱誠幫助的老師和同事表示誠摯的謝意！

內(nèi)容概要

本書主要介紹化工流變學的基本概念和應用。內(nèi)容包括張量的基本知識、流變測量學、廣義牛頓流體性質(zhì)和本構(gòu)方程、線性黏彈性流體性質(zhì)和本構(gòu)方程、非線性黏彈性流體性質(zhì)和本構(gòu)方程、拉伸流變學、非牛頓流體力學、石油工程流變學等，并列舉了化工流變動力學的應用實例。    全書內(nèi)容深入淺出，論述言簡意賅，可作為化學工程、石油工程、材料科學與工程等化工專業(yè)本科生教材和研究生參考用書，也可供相關企業(yè)技術人員閱讀。

書籍目錄

第一章　緒論　一、流變學的概念　二、流變學的方法論作用及其分支學科　三、流變學與化學工程的關系　四、材料的基本流變特性　思考題第二章　化工流變學的基本張量知識　第一節(jié)　Einstein求和約定　　一、啞標和自由標　　二、Einstein求和約定的規(guī)則　第二節(jié)　張量的基本知識　　一、張量定義　　二、張量的基本運算　　三、度規(guī)張量　　四、共軛度規(guī)張量　　五、張量指標升降　　六、張量的大小和不變量　　七、張量的物理分量　　八、張量的微分　思考題第三章　流變測量學　第一節(jié)　材料函數(shù)和穩(wěn)態(tài)剪切流場流變參數(shù)　　一、材料函數(shù)　　二、穩(wěn)態(tài)剪切流場的主要流變參數(shù)　第二節(jié)　小振幅振蕩流場與材料黏彈性的表征方法　　一、小振幅振蕩流場　　二、表征材料黏彈性的流變學指標　　三、Cox-Merz規(guī)則　第三節(jié)　主要流變測量儀器及其原理　　一、黏度計及其工作原理　　二、流變儀及其進展　思考題第四章　廣義牛頓流體本構(gòu)方程　第一節(jié)　廣義牛頓流體的概念及其本構(gòu)方程的建立　　一、廣義牛頓流體的概念　　二、廣義牛頓流體本構(gòu)方程的建立　第二節(jié)　典型廣義牛頓流體本構(gòu)方程　　一、不含屈服應力的廣義牛頓流體本構(gòu)方程　　二、含屈服應力的廣義牛頓流體本構(gòu)方程　第三節(jié)　材料觸變性及其研究方法　　一、觸變性及其流體特征　　二、觸變性的研究方法　　三、觸變性的數(shù)學表征　　四、溫度觸變性　思考題第五章　線性黏彈性流體本構(gòu)方程　第一節(jié)　線性黏彈性流體本構(gòu)方程的建立　　一、Maxwell本構(gòu)方程及其力學響應　　二、Kelvin—Voigt本構(gòu)方程及其力學響應　　　三、Jeffreys本構(gòu)方程及其力學響應　　四、廣義Maxwell本構(gòu)方程及其力學響應　第二節(jié)　線性黏彈性流體本構(gòu)方程的通式　　一、微分型線性黏彈性流體本構(gòu)方程的通式　　二、積分型廣義線性黏彈性流體本構(gòu)方程的通式　思考題第六章　非線性黏彈性流體本構(gòu)方程　第一節(jié)　本構(gòu)方程建立的原則和步驟　　一、建立本構(gòu)方程的原則　　二、建立本構(gòu)方程的一般步驟　第二節(jié)　常用動態(tài)坐標系及其時間微分　　一、Lagrange坐標系和隨體導數(shù)　　二、共轉(zhuǎn)坐標系和共轉(zhuǎn)導數(shù)　　三、共形變坐標系和共形變導數(shù)　第三節(jié)　非線性黏彈性流體本構(gòu)方程的建立　　一、ZFD模型　　二、White-Metzner模型　　三、逆變形式的共形變Jeffreys模型　　四、共轉(zhuǎn)Jeffreys模型　　五、Oldroyd-8參數(shù)本構(gòu)方程　　六、K-BKZ類非線性黏彈性流體本構(gòu)方程　第四節(jié)　由非線性黏彈性流體本構(gòu)方程求解材料函數(shù)　　一、形變速率張量和渦量張量　　二、由非線性黏彈性流體本構(gòu)方程求解材料函數(shù)的實例　　三、篩選本構(gòu)方程的一般步驟　思考題第七章　拉伸流變學　第一節(jié)　拉伸流動和拉伸流場　　一、拉伸流動　　二、拉伸流場及其測量　　三、紡絲拉伸流場　第二節(jié)　黏彈性流體的拉伸流動　　一、共轉(zhuǎn)Jeffreys模型的紡絲拉伸流動　　二、Williamous-3參數(shù)Oldroyd本構(gòu)方程的紡絲拉伸流動　　三、修正共轉(zhuǎn)Jeffreys模型的紡絲拉伸流動和剪切流動　　四、修正WiUiamous-3參數(shù)Oldroyd本構(gòu)方程的紡絲拉伸流動和剪切流動　　五、共轉(zhuǎn)Oldroyd-8參數(shù)模型的紡絲拉伸流動　　六、共形變Oldroyd-8參數(shù)模型的紡絲拉伸流動和剪切流動　思考題第八章　非牛頓流體力學　第一節(jié)　流體在剛性圓管中的層流流動　　一、Stokes關系式　　二、剛性圓管中流體的速度分布和流量　　三、不同流體在圓管中的流動比較　第二節(jié)　羅賓諾維奇-莫納方程與廣義雷諾數(shù)　　一、羅賓諾維奇-莫納方程　　二、廣義雷諾數(shù)和有效黏度　第三節(jié)　非牛頓流體圓管湍流壓力降的計算　　一、布拉修斯經(jīng)驗公式　　二、半經(jīng)驗公式　第四節(jié)　非牛頓流體流態(tài)判別準則　　一、冪律流體的流態(tài)判別　　二、Bingh鋤流體的流態(tài)判別　思考題第九章　石油工程流變學　第一節(jié)　原油的流變特性　　一、含蠟原油的黏溫關系和流變性質(zhì)　　二、含水原油的流變性質(zhì)　　三、原油的本構(gòu)方程　　四、原油的觸變性和全流變曲線　第二節(jié)　輸油管道的壓降計算及輸送工藝　　一、輸油管道的壓降計算　　二、輸油管道的輸送工藝　思考題第十章　化工流變動力學的應用　第一節(jié)　黏彈性膠束的形成過程及流變動力學方程的建立　　一、黏彈性膠束形成的流變動力學過程　　二、4參數(shù)黏彈性膠束形成流變動力學模型　第二節(jié)　黏彈性膠束壓裂液的流變動力學表征　　一、黏彈性膠束壓裂液成膠過程的表征　　二、用4參數(shù)流變動力學方程描述黏彈性膠束延緩形成過程參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：一、流變學的概念流變學是研究和揭示材料流動和變形規(guī)律的科學，揭示了材料的結(jié)構(gòu)與其流動和變形規(guī)律之間的關系，為介于化學、力學和工程學之間的交叉學科，也是一門具有較大難度但應用十分廣泛的學科。1920年，美國物理學家Bingham對油漆、糊狀黏土和油墨等物質(zhì)的特殊流動和變形規(guī)律產(chǎn)生了濃厚的興趣，他將研究物質(zhì)流動和變形規(guī)律的科學稱為“流變學”，并于1929年成立了世界上第一個流變學會——美國流變學會。我國流變學會成立于1985年，是國際流變學會組織的一員，每三年召開一次全國性的流變學學術會議。流變學是伴隨著塑料、橡膠、纖維工業(yè)的需要而發(fā)展起來的學科，在聚合物加工、血液流動、采油、陶瓷、食品加工、化妝品、油漆、涂料、油墨等過程中，均包含著復雜的流變學特性。流變學具有非常廣泛的應用范圍，并包含在許多科學領域中。它與力學、化學（如膠體化學、高分子化學、生物化學等）、工程學（如化學工程，石油工程等）密切相關，現(xiàn)已發(fā)展成為一門重要的邊緣學科。二、流變學的方法論作用及其分支學科流變學本身即體現(xiàn)出樸素的辨證觀點，具有方法論作用，可與多種學科交叉，形成新的學科分支。1.流變學的學科分支按流變學的觀點、研究方法和對象來進行劃分，可形成不同的流變學分支，主要包括：（1）聚合物流變學。主要研究聚合物溶液或熔體的流變特性，對聚合物加工具有重要的指導作用。（2）非牛頓流體流變學。主要研究不符合牛頓黏性定律的流體流動和變形規(guī)律之間的關系，揭示非牛頓流體特殊的流變特性，如剪切變稀、剪切增稠、黏彈性等。（3）化工流變學。主要研究化工流體特別是化工非牛頓流體的流變學特性，為深入理解非牛頓流體化工過程奠定理論基礎。（4）石油流變學。主要研究石油采輸以及石油的基本流變學特性，包括油氣開采工程流變學、壓裂液流變學、聚合物驅(qū)油過程流變學等，對提高油氣采收率和儲運具有重要的指導意義。（5）生物流變學。重點研究生物體的流變特性，如肌肉、骨骼、血液等。包括血液流變學、臨床血液流變學等。

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