非牛頓流體

在自然界中的食品，不符合牛頓流體定律的流體占大多數(shù)。大量的食品，包括濃果汁、果醬、全雞蛋、菜泥、濃牛奶以及巧克力漿等固液懸浮體都是非牛頓流體，下面的經(jīng)驗公式往往用來表示這些流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系：

τ=k(γ)n(1

n為流態(tài)特性指數(shù)，k為稠度系數(shù)。若為牛頓流體公式，則n=1，此時k為粘度。上式中，設(shè)ηa=k（γ）n-1，則與牛頓流體相似的非牛頓流體的狀態(tài)方程可寫為：

τ=ηaγ（2）

此式可以得到：η與ηa表示同樣物理特性，有相同的量綱，即ηa為表觀粘度(apparentviscosity)。表觀粘度ηa是流體內(nèi)部阻力的總和。然而與η不同的是，ηa是γ的函數(shù)，與k和n有關(guān)。換句話說ηa是指非牛頓流體在某一流速的粘度。

對于很多非牛頓流體，Τ只有在大于一定值Τ0時（也就是說，流體在獲得能量克服一個屈服應(yīng)力值以后），流動才能發(fā)生。Bulkey與Hershel提出的表示公式如下：

Τ=Τ0 k(γ)n（3）

Τ0表示屈服應(yīng)力(yieldstress)。由于公式中的Τ0和n范圍不同，將非牛頓流動分為以下五類 ：

膠變性流體假塑性流動

當粘度隨著剪切速率或剪切應(yīng)力的增大而減少，對應(yīng)于公式（1）中的0膠變性流體脹塑性流動

粘度隨著剪切速率的增大而增大的流動，也稱為剪切增稠流動(shear thickening flow)。在公式τ=k(γ)n(1 膠變性流體塑性流動

液體只有在應(yīng)力超過τ0時才開始流動。塑性流動的流動特性曲線不通過原點。賓漢流動(Binghamflow)是指當應(yīng)力超過τ0時，流動特性符合牛頓流體規(guī)律的流動。而非賓漢流動是指不符合牛頓流動規(guī)律流動。把具有這兩種流動特性的液體分別稱為賓漢流體或非賓漢流體。食品中的濃縮肉汁就是一種典型的賓漢流體?？ㄋ稍谘芯苛擞推崃鲃拥木W(wǎng)架結(jié)構(gòu)與剪切速率的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力和剪切速率有如下關(guān)系：

σ1/2=σ01/2 ηaε1/2

一部分非賓漢流體液態(tài)食品的流動規(guī)律符合卡松公式，如番茄醬、巧克力等。

膠變性流體觸變性流動

觸變性是指在振動、攪拌、搖動時，液體的流動性增加，粘性減少，靜置后，過段時間發(fā)現(xiàn)流動又變困難的現(xiàn)象。也叫搖溶性流動。例如，番茄調(diào)味醬、蛋黃醬等，在容器中放置時間一長，傾倒時，就變得很難流動。但只要將容器猛烈搖動，或用力攪拌一會，它們就變得很容易流動。再長時間放置時，它們又會變得流動困難。觸變性流動的發(fā)生是由于粒子之間形成的結(jié)合構(gòu)造，隨著剪切應(yīng)力的增加而受到破壞，導(dǎo)致的粘性減少。但這些粒子間結(jié)合構(gòu)造在停止應(yīng)力作用時，恢復(fù)需要一段時間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時的曲線在前次增加時的曲線的下方，形成了與流動時間有關(guān)的滯變回環(huán)。材料的構(gòu)造破壞的越大，體現(xiàn)為滯變回路包圍面積越大。觸變性對口感的影響體現(xiàn)為爽口柔和的感覺。

膠變性流體膠變性流動

液體隨著流動時間延長，與觸變性流動相反，變得越來越粘稠的現(xiàn)象。膠變性流動的食品給人以粘稠的口感。當流速加大時，達到最大值后，再減低流速，減低流速時的流動曲線反而在加大流速曲線的上方。這種現(xiàn)象也被稱為逆觸變現(xiàn)象。這是因為流動促進了液體粒子間構(gòu)造的形成。

膠變性流體膠變性流體

膠變性流體是時間相關(guān)性流體，也可被當作觸變型流體，但二者還是有明顯的不同點,就是膠變流體靜止時不會重建它的結(jié)構(gòu)。由膠變性流體的流動特性曲線可見,隨著剪切速率的增大(上行線)和減小(下行線)這樣一個循環(huán)，形成了一個滯回環(huán)，表明了流體的粘度會隨著時間的變化而發(fā)生改變，并且剪切速率減慢時的曲線在剪切速率增加時的曲線的上方，這些現(xiàn)象表明流體是一種膠變性流體 。

膠變性流體膠變性流體的性質(zhì)

1.流體在攪拌過程中其表觀粘度逐漸變大;

2.在時間為零時剪切力最小，隨時間延長而逐漸延長而逐增加，并穩(wěn)定在某一定值;

3.剪切速率愈大(即攪拌俞劇烈)，剪切力變化愈大;

4.一旦在某個時間停止攪拌，剪切應(yīng)力就又到攪拌開始時的初始值。2100433B

數(shù)值上為熔體的剪切應(yīng)力與剪切速率之比，單位為Pa·s。對于牛頓流體，其粘度為常數(shù)，稱為牛頓粘度。對于非牛頓流體，粘度隨剪切速率而變化，所得粘度稱為在相應(yīng)剪切速率下的表觀剪切粘度。

觸變性流體是一種典型的非牛頓流體，但國內(nèi)外關(guān)于其流動行為的研究遠不如其它非牛頓流體。其原因主要是實際中具有較強觸變性的液體較少，然而我國原油具有顯著的觸變性。因此，開展觸變性流體流動行為的研究在我國具有重要的實際意義。泊肖葉流動是管道輸送原油的主要方式之一，而多孔介質(zhì)中滲流的研究有助于對原油開采的分析。研究結(jié)果為我國原油的開采和輸送提供了理論依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對含蠟原油的觸變性做了大量研究，建立了描述觸變性的模型，其中最常用的則是用指數(shù)方程來描述含蠟原油的觸變性。這些模型大多是依據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計測定的流變參數(shù)而建立的。膠凝原油在旋轉(zhuǎn)粘度計中屬于剪切流，而在管道內(nèi)屬于拖動流，兩者的流動邊界條件不同，對介質(zhì)的剪切方式也不同，從而引起其測試數(shù)據(jù)的差異。