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1.1 课题研究背景及其意义
非牛顿流体，它不满足牛顿黏性实验定律，即其剪切力和剪切应变率不满足
现行关系。非牛顿流体广泛存在于生活、生产以及大自然之中，例如油脂、油漆、
牛奶、牙膏、动物血液、泥浆等。在工业生产和制造业中，如提高炼油量的压裂
液、炼油剂等，这些都属于非牛顿流体。由于非牛顿流体在日常生活和工业生产
中的广泛存在，因而对其流动和传热特性的研究具有重要的意义[1]
。 在对非牛顿流体的各种研究中，对其在封闭系统内的换热特征的研究得尤其
稀缺。如在聚合物的封闭加工过程中，必然涉及到聚合物溶液在冷凝过程的散热
问题；聚合物和表面活性剂溶液湍流流动减阻时，必然涉及到其换热特性的研究；
在原油在开采、输送和加工过程中也要涉及到非牛顿流体封闭系统内换热特性的
研究；还有在食品加工时(比如蔗糖的加工)也会涉及到传质和传热过程。所以对
非牛顿流体在封闭系统内的传热传质的研究具有重大的实用价值
1.2 国内外研究现状
针对非牛顿流体在封闭系统内的流动和传热，近年来国内外学者开展了许多研
究。Diego[2]
等研究了鼓泡塔内非牛顿流体介质对气体的吸收规律，发现非牛顿流体的
流变性质、高分子溶液浓度和气体质量流量对传质规律具有重要的影响。He[3]
等采用数值方法研究了非牛顿纳米流体的强制对流传热规律，对于一定浓度的纳米流体，必
须在模型中考虑其非牛顿流变特性，才能准确预测纳米流体的强化传热特性。
许宏全[4]等在相似理论指导下用恒热流方法研究了封闭空间内单孔冲击局部换热
系数。刘芳[5]等采用有限元法分析了多孔介质厚度、渗透率及孔隙率的变化对封闭腔
体内传热的影响。 马倩[6]
等研究了圆管中充分发展层流的幂律流体的流动与换热特性，并指出其速
度及温度分布与非牛顿流体的本身性质密切相关。李凤臣和魏进家[7]
等学者研究了表面活性剂减阻溶液的换热特性，发现减阻剂浓度达到一定程度时增输和节能效果显著。
通过之前各学者的研究可知，影响封闭系统内非牛顿流体换热特性的主要因素
有：流体的本构关系、流体单元的长宽比以及流体的物理边界条件。其中影响本构关
系的因素主要有材料本身的组成及材性、受力状态及荷载作用等有关。流体的物理边
界条件可分为固壁边界条件和界面边界条件等。而对于非牛顿流体中较为常见的幂律
流体，流变指数和稠度系数决定着其本构关系，下节将有介绍。
1.3 非牛顿流体
1.3.1 非牛顿流体的本构关系及分类
根据对流体流动时受到的剪应力和应变速率间的关系，一般将流体分为牛顿
流体和非牛顿流体。牛顿流体特性的基本方程为： 。其中， 是流体受
到的剪应力[Pa]； 是流体的粘度系数[Pa·s]； 是速率在垂直剪应力方向的梯度
[s−1
]。可以看到，牛顿流体流动时的应变速率与其受到的剪应力成正比。
对于非牛顿流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体，其本
构关系则较为复杂。一般将剪应力与应变速率之比定义为非牛顿流体的表观粘度（或
有效粘度） 表示，其中部分非牛顿流体的表观粘度随时间变化（时变性）。非牛顿
流体可以分为纯粘性与粘弹性两类，纯粘性非牛顿流体又有时变性和非时变性的区
别。非时变性流体主要分为剪切增稠流体（胀流性）和剪切稀化流体（假塑性），如
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