粒子浓度不均一性对电流变或磁流变材料稳流的作用
摘要
当加上电场或磁场后，电流变和磁流变材料的屈服应力将增加。若没有这个场，这种材料的本质就是牛顿体。当电流变或磁流变材料流经薄管道时，有限的屈服应力使在管壁附近的材料变形梯度集中。施加推力及拉力后，这个区域中的悬浮颗粒有较大剪应率，相互作用力使粒子远离管壁。作用在管壁上的电流变或磁流变的静态象力阻止这种提升力。跟着发生的局部粒子体积分数变化提高了管壁附近材料特性的局部不均一性。
本文提出了四种关于不均一性材料的模型。其中三个模型给出了压力梯度和单位体积流量的关系表达式，但要假定粒子浓度是分段连续的。第四个模型假设体积分数与剪应率有稳定的关系，但这需要数解。结果根据压力梯度率能通过场的施加与移除而产生而给出。
收集到的准稳定电流变液的实验数据给出了统一粒子浓度的流体压力梯度上限分析方法。这四个非均一性流体模型均证明在流动条件下在一个小范围的下限。通过比较这几个模型，提出了一个关于电流变和磁流变的压力梯度下限的表达式。
关键词：电流变；磁流变；惯性力；象力；相位分离；宾汉体
1. 序论
电流变和磁流变材料是处于连续的微米级液态粒子经过浓缩的悬浮液。当加上强场（电场或磁场），这些粒子发生极化。在应用领域中，在悬浮媒的流动下，极化粒子之间的相互作用，使这些材料的流变能力发生性质上的变化[1]。只要几毫秒，材料的特性便从牛顿流体变成了塑性屈服体。增加悬浮粒子的容积率会增强所加场对材料特性的作用(对电流变材料来说增加体积分数的30-40%)[2,3]。处于准稳流的电流变和磁流变材料的机械特性被描述为与Bingham体同等的简单层次，即一个剪应力被所作用处的柔性成分及牛顿粘性成分所承受[2]。
材料在屈服应力作用下流过薄壁管道（如Bingham体的流动）就像管壁间的非剪切塞。在有剪应力的部分，粒子的纤维结构在流动中被不断分裂，在塞子中的粒子的结构被打乱。机械力和电力能使粒子在流层中运动。例如已观察到机械力使粒子在电流变材料[4]及其他许多高浓度的悬浮液中[5]沿着管壁移动。这一研究验证了由压力梯度引起的非均一性能用于电流变液和磁流变液体。
2．屈服应力与体积分数的关系
在最基本的层次，电流变和磁流变液粒子内部相互作用可理想化为极点之间力的作用，在所加场中排列。同极性的两点间的互斥能量与极轴点强度平方成比例，p，并与其分开距离的立方成反比（就像体积分数比： ）。反过来，大量的双极子能够相互链接形成球体并具有一定电容（对于电流变材料）或具有一定渗透性（对于磁流变材料）， ,这与分散剂 的电容率或渗透性使不同的。这样，偶极强度与所施场的强度（E或B，极化常数） 和粒子半径的立方乘积成正比（对于电流变材料）。因此，内力理论上与 成比例（对于电流变磁流）[1,6]。当对静止的电流变材料加上电场，屈服应力比材料流动时更强[7]。惯性流力以低雷诺数作用于粒子，浓度的不均一性使动态屈服应力降低。
Klass 与 Martinek于1967年对悬浮在矿物油中的硅土微粒所做的实验表明电场的屈服应力随着体积分数及电场的平方成线性增长[8]。另一个实验中Sprecher发现处于硅油中的玻璃球体的屈服应力随着电场平方及体积分数增长[9]。Marshall等人在一系列稳定库爱特流体测试法测试各种体积分数 绝缘常数 和 ，分散剂的粘性 ，剪切率及应用电子领域。广泛排列的电流变材料被形容为无因次群同于粘性力与极化力的比率即Mason数及体积分数 。
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