Chất lưu phi Newton (Non-Newtonian fluid)

Đặc điểm

• Độ nhớt biến thiên: Đặc điểm chính của chất lưu phi Newton là độ nhớt của chúng thay đổi theo lực tác dụng. Một số chất lỏng trở nên đặc hơn (độ nhớt tăng) khi chịu lực, trong khi một số khác lại loãng hơn (độ nhớt giảm). Sự biến đổi này có thể phụ thuộc vào cường độ và thời gian tác dụng của lực.
• Ứng xử phi tuyến tính: Mối quan hệ giữa ứng suất cắt ($\tau$) và tốc độ biến dạng ($\dot{\gamma}$) không phải là tuyến tính như ở chất lưu Newton. Định luật nhớt của Newton mô tả mối quan hệ tuyến tính này là: $\tau = \mu \dot{\gamma}$, trong đó $\mu$ là độ nhớt (hằng số). Đối với chất lưu phi Newton, mối quan hệ này phức tạp hơn, thể hiện qua các mô hình toán học khác nhau như mô hình lũy thừa, mô hình Herschel-Bulkley, v.v.
• Hiện tượng nhớ (Memory effect): Một số chất lưu phi Newton thể hiện hiện tượng nhớ, tức là độ nhớt của chúng không chỉ phụ thuộc vào tốc độ biến dạng hiện tại mà còn phụ thuộc vào lịch sử biến dạng trước đó. Điều này có nghĩa là trạng thái hiện tại của chất lưu bị ảnh hưởng bởi các biến dạng mà nó đã trải qua trong quá khứ.

Phân loại

Chất lưu phi Newton có thể được phân loại thành nhiều loại dựa trên cách độ nhớt của chúng thay đổi theo ứng suất cắt hoặc tốc độ biến dạng. Một số loại phổ biến bao gồm:

• Chất lỏng giả dẻo (Shear-thinning/Pseudoplastic): Độ nhớt giảm khi tốc độ biến dạng tăng. Ví dụ: sơn, ketchup, máu.
• Chất lỏng trương nở (Shear-thickening/Dilatant): Độ nhớt tăng khi tốc độ biến dạng tăng. Ví dụ: hỗn hợp nước và bột bắp (oobleck), một số loại cát ướt.
• Chất lỏng nhớt dẻo (Bingham plastic): Cần một ứng suất cắt nhất định (ứng suất chảy) để chất lỏng bắt đầu chảy. Khi vượt quá ứng suất chảy, chúng có thể hoạt động như chất lưu Newton hoặc phi Newton. Ví dụ: kem đánh răng, sốt cà chua.
• Chất lỏng đàn hồi nhớt (Viscoelastic fluid): Thể hiện cả tính chất nhớt và đàn hồi. Khi tác dụng lực, chúng biến dạng nhưng có thể phục hồi một phần hình dạng ban đầu khi lực được loại bỏ. Ví dụ: keo, polymer nóng chảy.
• Chất lỏng Thixotropic: Độ nhớt giảm theo thời gian khi chịu ứng suất cắt không đổi, và phục hồi độ nhớt ban đầu khi để yên. Ví dụ: mật ong, sơn.
• Chất lỏng Rheopectic: Độ nhớt tăng theo thời gian khi chịu ứng suất cắt không đổi, và trở lại độ nhớt ban đầu khi để yên. Hiện tượng này ít phổ biến hơn thixotropy.

Ứng dụng

Chất lưu phi Newton có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và công nghiệp, bao gồm:

• Thực phẩm: Sốt cà chua, mayonnaise, kem đánh răng.
• Mỹ phẩm: Kem dưỡng da, dầu gội.
• Dầu mỏ: Dầu khoan, bùn khoan.
• Xây dựng: Bê tông, vữa.
• Y sinh: Máu, dịch khớp.
• Công nghệ nano: Chất lỏng từ tính.

Nghiên cứu

Việc nghiên cứu chất lưu phi Newton vẫn đang tiếp tục phát triển, tập trung vào việc hiểu rõ hơn về các cơ chế phức tạp chi phối hành vi của chúng và phát triển các mô hình toán học chính xác hơn để mô tả chúng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa các ứng dụng hiện có và khám phá các ứng dụng mới trong tương lai.

Mô hình hóa hành vi của chất lưu phi Newton

Do tính chất phức tạp của chất lưu phi Newton, việc mô hình hóa hành vi của chúng đòi hỏi các phương trình phức tạp hơn so với định luật nhớt của Newton. Một số mô hình phổ biến bao gồm:

• Mô hình lũy thừa (Power Law Model): Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa ứng suất cắt ($\tau$) và tốc độ biến dạng ($\dot{\gamma}$) bằng phương trình:

$\tau = K \dot{\gamma}^n$

Trong đó:

• $K$ là hệ số nhớt quán (consistency coefficient).
• $n$ là chỉ số dòng chảy (flow behaviour index).
  • $n < 1$: Chất lỏng giả dẻo (shear-thinning).
  • $n > 1$: Chất lỏng trương nở (shear-thickening).
  • $n = 1$: Chất lỏng Newton ($K = \mu$).
• Mô hình Herschel-Bulkley: Mô hình này mở rộng mô hình lũy thừa bằng cách thêm ứng suất chảy ($\tau_0$):

$\tau = \tau_0 + K \dot{\gamma}^n$

Mô hình này phù hợp để mô tả chất lỏng nhớt dẻo (Bingham plastic).

• Mô hình Casson: Mô hình này cũng được sử dụng cho chất lỏng nhớt dẻo, với dạng phương trình:

$\sqrt{\tau} = \sqrt{\tau_0} + \sqrt{\eta \dot{\gamma}}$

Trong đó:

• $\tau_0$ là ứng suất chảy.
• $\eta$ là độ nhớt Casson.

Đo lường độ nhớt của chất lưu phi Newton

Độ nhớt của chất lưu phi Newton không phải là hằng số, do đó việc đo lường đòi hỏi các kỹ thuật đặc biệt hơn so với chất lưu Newton. Thông thường, người ta sử dụng viscometer (nhớt kế) để đo độ nhớt. Một số loại viscometer phổ biến cho chất lưu phi Newton bao gồm:

• Nhớt kế quay (Rotational viscometer): Đo độ nhớt bằng cách quay một trục trong chất lỏng và đo mô-men xoắn cần thiết.
• Nhớt kế mao quản (Capillary viscometer): Đo độ nhớt bằng cách đo thời gian chất lỏng chảy qua một mao quản có đường kính nhỏ.
• Nhớt kế rơi hình cầu (Falling ball viscometer): Đo độ nhớt bằng cách đo thời gian một hình cầu rơi qua chất lỏng.

Thách thức và hướng nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu chất lưu phi Newton, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, bao gồm:

• Phát triển các mô hình chính xác hơn để mô tả hành vi của các loại chất lưu phi Newton phức tạp.
• Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và các yếu tố môi trường khác đến độ nhớt.
• Tìm hiểu sâu hơn về cơ chế vi mô chi phối hành vi của chất lưu phi Newton.
• Ứng dụng các mô hình và kỹ thuật đo lường vào các bài toán thực tế trong công nghiệp và kỹ thuật.

• Chhabra, R. P., & Richardson, J. F. (2011). Non-Newtonian fluids: Rheology and transport phenomena. Butterworth-Heinemann.
• Barnes, H. A., Hutton, J. F., & Walters, K. (1989). An introduction to rheology. Elsevier.
• Wilkinson, W. L. (1980). Non-Newtonian fluids: Fluid mechanics, mixing and heat transfer. Pergamon Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài các mô hình lũy thừa, Herschel-Bulkley và Casson, còn mô hình nào khác được sử dụng để mô tả hành vi của chất lưu phi Newton?

Trả lời: Có rất nhiều mô hình khác, ví dụ như mô hình Carreau, mô hình Cross, và mô hình Ellis. Mỗi mô hình có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại chất lưu phi Newton khác nhau. Mô hình Carreau và Cross thường được sử dụng cho chất lỏng giả dẻo với vùng Newton ở cả tốc độ biến dạng thấp và cao. Mô hình Ellis tương tự như mô hình Carreau nhưng đơn giản hơn.

Làm thế nào để xác định mô hình phù hợp nhất để mô tả một loại chất lưu phi Newton cụ thể?

Trả lời: Việc lựa chọn mô hình phụ thuộc vào dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng của chất lưu đó. Bằng cách so sánh dữ liệu thực nghiệm với dự đoán của các mô hình khác nhau, ta có thể chọn mô hình phù hợp nhất. Các phương pháp thống kê như phân tích hồi quy cũng được sử dụng để đánh giá độ khớp của mô hình.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt của chất lưu phi Newton như thế nào?

Trả lời: Nhiệt độ thường ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt của chất lưu phi Newton. Đối với hầu hết các chất lỏng, độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng này khác nhau tùy thuộc vào loại chất lưu. Một số mô hình, như mô hình Arrhenius, được sử dụng để mô tả sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ.

Ứng dụng của chất lưu phi Newton trong lĩnh vực y sinh là gì?

Trả lời: Trong y sinh, chất lưu phi Newton đóng vai trò quan trọng. Ví dụ, máu là một chất lỏng giả dẻo, tính chất này ảnh hưởng đến dòng chảy của máu trong mạch máu. Các chất lỏng sinh học khác như dịch khớp, dịch nhầy cũng là chất lưu phi Newton. Hiểu biết về tính chất của chúng giúp chẩn đoán và điều trị các bệnh lý liên quan. Ngoài ra, chất lưu phi Newton còn được sử dụng trong các ứng dụng như vận chuyển thuốc, kỹ thuật mô và tạo hình.

Những thách thức hiện nay trong việc nghiên cứu và ứng dụng chất lưu phi Newton là gì?

Trả lời: Một số thách thức bao gồm: phát triển các mô hình chính xác hơn cho các loại chất lưu phức tạp, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên độ nhớt, tìm hiểu sâu hơn về cơ chế vi mô chi phối hành vi của chất lưu phi Newton, và ứng dụng các kiến thức này vào việc thiết kế và tối ưu hóa các quy trình công nghiệp. Việc phát triển các kỹ thuật đo lường mới cũng là một thách thức quan trọng.