Que sont les fluides newtoniens et non newtoniens

Vous êtes-vous déjà interrogé sur les différents types de fluides ?

Les fluides sont des substances qui peuvent s'écouler et se déformer sous pression. Ils se répartissent en deux catégories principales : newtoniens et non newtoniens.

Les fluides newtoniens ont une viscosité constante, tandis que les fluides non newtoniens changent de viscosité sous contrainte.

Qu'est-ce que le fluide newtonien

Un fluide newtonien est un type de fluide qui présente une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement. Cette relation reste constante quelle que soit la force appliquée.

Les fluides newtoniens suivent la loi de viscosité de Newton, qui stipule que la contrainte de cisaillement est directement proportionnelle au taux de déformation de cisaillement. Ce comportement est caractérisé par un coefficient de viscosité constant.

Caractéristiques clés du fluide newtonien

Viscosité constante

La viscosité d'un fluide newtonien reste constante sous différents taux de cisaillement. Cette propriété distingue les fluides newtoniens de leurs homologues non newtoniens.

Quelle que soit la force appliquée, la résistance du fluide à l’écoulement reste inchangée. Cette caractéristique rend les fluides newtoniens prévisibles et plus faciles à modéliser mathématiquement.

Relation linéaire

Les fluides newtoniens présentent une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement. Cette relation est représentée par une ligne droite sur un graphique représentant la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement.

La pente de cette ligne représente la viscosité du fluide. Pour les fluides newtoniens, cette pente reste constante sur une large gamme de taux de cisaillement.

Exemples de fluide newtonien

• Eau: L'eau est l'exemple le plus courant de fluide newtonien. Sa viscosité reste constante dans des conditions normales, ce qui la rend idéale pour diverses applications en mécanique des fluides.
• Air: L'air, comme la plupart des gaz, se comporte comme un fluide newtonien dans des conditions normales. Sa viscosité est indépendante du taux de cisaillement, ce qui permet des caractéristiques d'écoulement constantes dans les processus atmosphériques et les applications aérodynamiques.
• Chéri: Malgré sa viscosité élevée, le miel présente un comportement newtonien. Ses propriétés d'écoulement restent constantes quelle que soit la force appliquée, ce qui en fait un exemple unique de fluide newtonien visqueux.

Que sont les fluides non newtoniens

Les fluides non newtoniens sont des fluides complexes qui ne suivent pas la loi de viscosité de Newton. Leur viscosité change avec le taux de cisaillement ou la contrainte appliquée.

Contrairement aux fluides newtoniens, qui maintiennent une viscosité constante, les fluides non newtoniens présentent une viscosité variable dans différentes conditions d'écoulement. Ce comportement résulte de leurs structures moléculaires complexes ou de leurs particules en suspension.

Types de fluides non newtoniens

Fluides indépendants du temps

Ces fluides présentent des changements immédiats de viscosité avec le taux de cisaillement, quelle que soit la durée de l'application du cisaillement.

• Fluides fluidifiants (pseudoplastiques): Les fluides fluidifiants subissent une diminution de la viscosité à mesure que le taux de cisaillement augmente. Les exemples courants incluent le ketchup, la peinture et le sang.
• Fluides épaississants par cisaillement (dilatants): Les fluides épaississants par cisaillement présentent une augmentation de la viscosité avec l'augmentation du taux de cisaillement. Les mélanges fécule de maïs-eau et certaines solutions de polymères présentent ce comportement.
• Fluides de contrainte de rendement: Ces fluides nécessitent une contrainte minimale (limite d'écoulement) pour initier l'écoulement. Les coulis de dentifrice et de ciment sont des exemples de fluides à limite d'élasticité.

Fluides dépendant du temps

La viscosité de ces fluides change avec le taux de cisaillement et la durée de l'application du cisaillement.

• Fluides thixotropes:
  Les fluides thixotropes présentent une diminution de la viscosité au fil du temps lorsqu'ils sont soumis à un cisaillement constant. De nombreux gels et suspensions présentent un comportement thixotrope.
• Fluides rhéopectiques: Les fluides rhéopectiques subissent une augmentation de viscosité au fil du temps sous cisaillement constant. Ce comportement est moins courant mais peut être observé dans certains lubrifiants.

Fluides viscoélastiques

Les fluides viscoélastiques présentent des propriétés à la fois visqueuses et élastiques. Ils présentent une récupération élastique partielle après suppression de la contrainte.

Les solutions polymères et certains fluides biologiques comme le liquide synovial présentent un comportement viscoélastique.

Exemples de fluides non newtoniens

• Fluides biologiques: Le sang est un excellent exemple de fluide non newtonien dans le corps humain. Sa viscosité diminue avec l'augmentation du taux de cisaillement, facilitant ainsi la circulation dans les vaisseaux sanguins.
• Polymères et solutions polymères: De nombreuses solutions polymères présentent un comportement non newtonien. Leurs structures moléculaires complexes conduisent à des viscosités dépendantes du cisaillement.
• Suspensions: Les suspensions de particules présentent souvent des caractéristiques non newtoniennes. L'interaction entre les particules et le milieu en suspension entraîne des comportements d'écoulement complexes.
• Produits alimentaires: Divers produits alimentaires, tels que la mayonnaise, le yaourt et le miel, présentent des propriétés non newtoniennes.
• Fluides industriels: Les boues de forage, les lubrifiants et les peintures sont des exemples de fluides non newtoniens largement utilisés dans les applications industrielles.

Principales différences entre les fluides newtoniens et non newtoniens

Réponse de la viscosité à la contrainte appliquée

Les fluides newtoniens maintiennent une viscosité constante quelle que soit la contrainte appliquée. Les fluides non newtoniens présentent une viscosité variable en fonction du taux de cisaillement.

Comportement et modèles de flux

Les fluides newtoniens démontrent une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement. Les fluides non newtoniens présentent un comportement non linéaire.

Certains fluides non newtoniens présentent des propriétés rhéofluidifiantes ou rhéo-épaississantes. Cela affecte leurs caractéristiques d'écoulement dans différentes conditions.

Défis liés à la gestion des fluides non newtoniens

Le traitement des fluides non newtoniens nécessite des équipements et des techniques spécialisés. Leur viscosité variable complique les prévisions de débit et l’efficacité des pompes.

Fondamentaux de la mécanique des fluides

Contrainte de cisaillement

La contrainte de cisaillement est une force appliquée parallèlement à la surface d’un matériau. En mécanique des fluides, cela se produit lorsque des couches de fluide adjacentes se déplacent à des vitesses différentes. Cela crée un effet de friction entre les couches.

L'ampleur de la contrainte de cisaillement dépend des propriétés du fluide et du gradient de vitesse. Il joue un rôle crucial dans la détermination du comportement des fluides, en particulier dans les fluides newtoniens non ###.

Taux de cisaillement

Le taux de cisaillement mesure la rapidité avec laquelle les couches de fluide adjacentes se croisent. Il représente le taux de changement de vitesse perpendiculaire à la direction du cisaillement.

Dans l'écoulement dans un tuyau, le taux de cisaillement varie sur le diamètre du tuyau. Il est le plus élevé près des parois des tuyaux et le plus bas au centre. Cette variation affecte les caractéristiques d'écoulement du fluide.

Viscosité

La viscosité quantifie la résistance d'un fluide à l'écoulement. Il décrit le frottement interne d'un fluide en mouvement. Les fluides à viscosité plus élevée, comme le miel, s'écoulent plus lentement que les fluides à viscosité plus faible, comme l'eau.

La viscosité peut être classée comme dynamique ou cinématique. La viscosité dynamique relie la contrainte de cisaillement au taux de cisaillement. La viscosité cinématique est le rapport entre la viscosité dynamique et la densité du fluide.

En conclusion

Les fluides newtoniens et non newtoniens diffèrent par leur comportement sous contrainte. Comprendre ces propriétés est crucial dans diverses industries et dans la vie quotidienne.

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