الموائع غير النيوتونية: اللزوجة لم تعد عددًا

اللزوجة ثابتٌ مادي للماء والهواء. أما كثير من الموائع التي تُعالَج صناعيًا فليست كذلك: لزوجتها تتوقف على سرعة قصّها.

السلوكيات الرئيسية

مميّع بالقص (شبه لدن). تنخفض اللزوجة كلما ارتفع معدل القص. وهذه أشيع الفئات: المحاليل البوليمرية والطلاء والكاتشب والدم. فالمائع رقيق عند ريشة المقلّب وثخين عند جدار الخزان — ولهذا بالذات تتكوّن المناطق الميتة.

مغلّظ بالقص (متمدد). العكس. يُشاهد في المعلّقات الكثيفة؛ وهو خطر على المضخات.

ذو إجهاد خضوع (بينغهام). لا يجري البتة دون إجهاد معيّن ويتصرف كجسم صلب. معجون الأسنان، وطين الحفر، والخرسانة الطازجة. وإعادة تحريك مائع بينغهام توقّف داخل خط أنابيب تتطلب ضغطًا أعلى بكثير من الجريان المستقر — وهذا هو الوضع الذي يحكم التصميم.

النمذجة

تُوصف اللزوجة بمنحنى نموذجي (قانون القوة، كارو، هيرشل-بلكلي). ويحتاج الاختيار إلى الانتباه لأمرين:

مدى معدل القص. معاملات النموذج صالحة في المدى الذي أُجري فيه قياس الريومتر. فإذا وقعت معدلات القص في الحساب خارج ذلك المدى كان النموذج مُستقرَأً خارج نطاقه — وقانون القوة يعطي لزوجة لا نهائية عند معدلات القص المنخفضة، وهذا غير فيزيائي.

المعالجة العددية لإجهاد الخضوع. في منطقة القص الصفري تتجه اللزوجة إلى اللانهاية؛ والحلّالات تقصّها بحدٍّ أعلى، وقيمة هذا الحد تؤثر في النتيجة، فيجب ذكرها.

النظام

بسبب اللزوجة الظاهرية العالية تكون هذه الجريانات صفحية في الغالب. وترك نموذج الاضطراب مشتغلًا يُنتج مزجًا غير موجود ويبالغ في زمن المزج وفي انتقال الحرارة. فالخطوة الأولى حساب عدد رينولدز باللزوجة المحلية وتأكيد النظام. انظر ملاحظة الخزان المقلّب.

المراجع

1. Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
2. Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.