非牛顿流体力学
非牛顿流体力学（汉语拼音：Fei niu dun liu ti li xue；英语：non-Newtonian fluid mechanics），由流变学发展起来的研究非牛顿流体应力和应变关系以及非牛顿流体流动问题的学科。非牛顿流体是剪应力和剪切变形速率之间不满足线性关系的流体。自然界中存在着大量非牛顿流体，如油脂、油漆、牛奶、牙膏、动物血液、泥浆等。非牛顿流体力学在化纤工业、塑料工业、石油工业、化学工业、轻工业、食品工业等许多部门有广泛的应用。
非牛顿流体力学的研究始于1867年J.C.麦克斯韦提出的线性粘弹性模型。第二次世界大战后，化纤、塑料、石油等工业的迅速发展以及应用数学、流体力学等学科的研究不断深化，为非牛顿力学提供了社会和理论基础。1950年J.G.奥尔德罗伊德提出建立非牛顿流体本构方程（见本构关系）的基本原理，把线性粘弹性理论推广到非线性范围。以后，W.诺尔、J.L.埃里克森、R.S.里夫林、C.特鲁斯德尔等人对非线性粘弹性理论的发展也作出贡献。1976年K.沃尔特斯等人创办《非牛顿流体力学杂志》。70年代后期出版了非牛顿流体力学、聚合物加工、流变技术等专著。非牛顿流体力学已发展成为一个独立的学科。
非牛顿流体类型依本构方程的不同，可分为3类：
①广义牛顿流体。把粘度作为剪切率的单值函数，从牛顿流体模型推广而得的一种非牛顿流体。自然界中大多数浆糊状流体、悬浮液、塑料熔质等都属此类。广义牛顿流体的剪应力-剪切变形速率的曲线如图1所示。包括3种流体：塑性流体（较常见的有宾汉塑性流体、广义宾汉塑性流体和卡森塑性流体）、拟塑性流体和膨胀流体。
②有时效的非牛顿流体。应力不仅同变形速率而且同时间有关的非牛顿流体，分触变流体和触稠流体两类。大部分胶状液体都是触变流体，其特性是静止时粘稠，甚至呈固态，但搅动后变稀而易于流动。凝胶漆就是典型的触变流体。跟触变流体相反，触稠流体的粘度随时间而增加。这种流体比较稀少，也无工业价值。
③粘弹性流体。兼有粘性效应和弹性效应的流体。自然界中许多极粘稠流体（如沥青）就是粘弹性流体。粘弹性流体又分为线性粘弹性流体和非线性粘弹性流体。
此外还有广义二阶流体、三阶流体等微分型模型，各种广义麦克斯韦模型，隐含模型，积分型模型，根据粘弹性分子理论提出的哑铃模型、小球-弹簧模型、网络模型等。
非牛顿流体流动具有与牛顿流体流动截然不同的特性。
①广义牛顿流体流动。塑性流体在管中流动时，轴线附近的塑性流体所受的剪应力小于它的屈服应力，因此类似固体在管中平移；壁面附近流体则因剪应力超过屈服应力而处于流动状态（图2）。拟塑性流体或膨胀流体在管道中流动时，流量和压差的关系是非线性的，而牛顿流体的这种关系则是线性的。
②有时效的非牛顿流体流动。以触变流体为例，若将触变流体装入同心圆筒式粘度计的环形缝隙中，则在流体静止一段长时间后，让任一圆筒以等速旋转，就可发现流体的粘度（表现为另一圆筒上的转矩）随时间而减小。
③粘弹性流体流动。其典型流动有定常剪切流动、拉伸流动和伸缩流动。其一是定常剪切流动。粘弹性流体在剪切流动时有沿旋转棒向上爬的现象，称韦森堡效应（图3）。这种现象是粘弹性流体在剪切流动时产生的第一法应力差引起的。流丝沿周向张紧而产生的张力需由径向负压力梯度来平衡，而后者使自由面呈凸形。粘弹性流体通过细管形成挤出射流时，射流束直径显著胀大，称挤出物胀大或口模胀大（图4）。例如聚苯乙烯在175～200℃较快挤出时，直径胀达2.8倍；而牛顿流体从管中流出时，则收缩。其二是拉伸流动。流体的拉伸粘度与剪切粘度的比值称特劳顿比。对于牛顿流体，这个比值是3；对于粘弹性流体，由于拉伸粘度随变形速率增加而增加，这个比值可达10～10量级，因此会产生开口虹吸现象（图5）。把管子一端插入粘弹性流体，由于虹吸作用，流体经管道流出。如把插入流体的管端稍提出液面，则流体仍会被吸上来。在纺丝、吹塑、挤出和压延成形等加工过程中，流动的主要成分是拉伸流动；多孔介质中的流动，其主要成分也是拉伸流动。其三是收缩流动。对于这种流动，牛顿流体和粘弹性流体也有不同的流场。牛顿流体在中心产生环流，粘弹性流体则在壁面产生环流（图6）。塑料通过收缩口挤入铸模的流动，聚合物通过喷丝口的流动，大小血管之间血液的流动等都属于收缩流动。
