如果CFDer做化妝品代購...

如果CFD工程師做化妝品代購，會不會和別人一樣，只是簡單粗暴的讓大家買買買，還是有理想有節(jié)操，通過定性定量的數(shù)值分析來推薦自己的產(chǎn)品呢？今天來說說流體力學(xué)在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用。

通常以乳狀液、懸浮液等形態(tài)存在的化妝品產(chǎn)品，為多組分、多相態(tài)的復(fù)雜非牛頓流體和熱力學(xué)不穩(wěn)定物質(zhì)。其中組分配伍性、相態(tài)、工藝條件及儲存條件等對產(chǎn)品的穩(wěn)定性、質(zhì)量和使用性能均產(chǎn)生影響。要獲得使用性能良好的產(chǎn)品，必須對配方設(shè)計(jì)原理、工藝過程流變性能、穩(wěn)定性能、使用性能等有明確的認(rèn)識。由于化妝品物料的流變特性與產(chǎn)品的質(zhì)地穩(wěn)定性、加工工藝設(shè)計(jì)和膚感等有著重要關(guān)系，所以通過對化妝品流體特性的研究，可以了解化妝

品的組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分子形態(tài)等，進(jìn)而能夠?yàn)楫a(chǎn)品配方開發(fā)、加工工藝、設(shè)備選型及質(zhì)量檢測等提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

流體力學(xué)在化妝品領(lǐng)域主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

化妝品生產(chǎn)

• 加工設(shè)備選型

流變特性是非牛頓流體加工設(shè)備設(shè)計(jì)和選型的重要依據(jù)。黏彈性流體在設(shè)備中的流場與牛頓流體有顯著區(qū)別，若攪拌器設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致流體爬竿現(xiàn)象而不利于混合均勻。

• 灌裝工藝

乳液型化妝品在灌裝時(shí)，產(chǎn)品的塑變值不僅影響其外觀，而且也會影響到乳液在使用時(shí)從瓶中倒出或從軟管擠出是否順暢。放料時(shí)，有一定塑變值的產(chǎn)品可能不會通暢地流入小口徑的導(dǎo)管。因此，化妝品在整個(gè)生產(chǎn)以及儲存過程中的產(chǎn)品流變特性的優(yōu)劣成為上市產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。

產(chǎn)品穩(wěn)定性

• 使用過程穩(wěn)定性

由于非牛頓流體特殊的依時(shí)性質(zhì)，即材料現(xiàn)在的受力狀態(tài)與其過去所有的受力歷史相關(guān)，這將直接影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，故要求產(chǎn)品不僅僅在出廠時(shí)保持性能穩(wěn)定，在使用過程中也需要保持穩(wěn)定。

• 儲存穩(wěn)定性
  

大多數(shù)化妝品要求至少3 年的貨架壽命，化妝品產(chǎn)品類型主要是非牛頓型流體，非牛頓型流體的穩(wěn)定性與配方組成、生產(chǎn)、罐裝工藝、質(zhì)量控制、存儲運(yùn)輸和消費(fèi)過程(包括所有的剪切歷史和熱歷史) 緊密相關(guān)，而與其流變特性直接相關(guān)。

感官評價(jià)

感官評價(jià)是人們判斷化妝品品質(zhì)好壞的重要手段，而流變特性可以用來客觀地確定當(dāng)產(chǎn)品被應(yīng)用到皮膚的感覺，這可以幫助縮短研究和開發(fā)時(shí)間，為化妝

品開發(fā)提供便利。

流變特性可以準(zhǔn)確地預(yù)測出化妝品產(chǎn)品在使用時(shí)的膚感，因?yàn)榱髯儗W(xué)可以從科學(xué)的角度解釋人的主觀感覺，相比于隨機(jī)性大而又繁瑣的膚感測試來說，流變

特性對于化妝品感官評價(jià)有著巨大的研究價(jià)值。

非牛頓流體

牛頓于1687年提出，水在作一維剪切流動時(shí)，其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率成正比關(guān)系。后來發(fā)現(xiàn)，只有水和空氣等流體才滿足這種剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率的線性關(guān)系，它們也因此被稱為牛頓流體。生活和生產(chǎn)中的大多數(shù)流體屬于非牛頓流體，它們在作一維剪切流動時(shí)，其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變率之間呈非線性關(guān)系。

血液、果漿、蛋清、奶油等這些非常黏稠的液體都是非牛頓流體；牙膏、石油、泥漿、油漆、各種聚合物(聚乙烯、尼龍、滌綸、橡膠溶液等)也都是非牛頓流體。通常，這些物質(zhì)也稱為軟物質(zhì)。

射流脹大效應(yīng)

當(dāng)水從自來水管中流出時(shí)，水流的直徑與管子的直徑基本相當(dāng)。如果非牛頓流體被迫從一個(gè)大容器流進(jìn)一根細(xì)管子，再從這根細(xì)管流出(擠出)時(shí)，射流束的直徑就會比細(xì)管大得多，兩者之比甚至?xí)^10，這種現(xiàn)象叫做射流脹大效應(yīng)。

射流脹大效應(yīng)對于聚合物生產(chǎn)具有很重要的意義。當(dāng)塑料熔液(一種非牛頓流體)從一個(gè)矩形截面的管口流出時(shí)，由于脹大效應(yīng)，矩形管口長邊處的塑料熔液的脹大比短邊處更加顯著，而在矩形管口長邊的中央脹得最大，結(jié)果從矩形管口擠出的塑料產(chǎn)品變成了橢圓形。因此，如果要求塑料產(chǎn)品是矩形截面，就必須把擠出管的管口做成向內(nèi)凹的雙曲型，這樣，經(jīng)過脹大最終才能形成矩形截面的產(chǎn)品。

射流脹大效應(yīng)在日常生活中隨處可見，擠牙膏就是一例。

爬桿效應(yīng)

非牛頓流體的黏彈性使得它在旋轉(zhuǎn)時(shí)也表現(xiàn)出與一般牛頓流體不同之處。在一有黏彈性流體(非牛頓流體的一種)的燒杯里，旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)桿，黏彈性流體會向杯中心運(yùn)動，并沿桿向上爬，液面變成凸形，甚至在實(shí)驗(yàn)桿的旋轉(zhuǎn)速度很低時(shí)，也可以觀察到這一現(xiàn)象，這一現(xiàn)象叫爬桿效應(yīng)。

大飯店做點(diǎn)心時(shí)，要用攪拌機(jī)和面粉。中間那根攪拌桿四周的濕面粉(也是一種非牛頓流體)也會聚集在桿的周圍，產(chǎn)生爬桿效應(yīng)。

化工生產(chǎn)中常要將兩種或多種非牛頓流體混合，因此，在設(shè)計(jì)混合器時(shí)，必須考慮爬桿效應(yīng)的影響。此外，在設(shè)計(jì)非牛頓流體的輸運(yùn)泵時(shí)，也應(yīng)考慮和利用這一效應(yīng)。

流變體

在常溫常壓下，物質(zhì)從液體變成固體一般通過冷卻完成，這個(gè)過程一般需要較長的時(shí)間，很難想象在幾秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)將一杯水變成冰，又將它迅速地從冰變成水。但有些非牛頓流體卻能在電場或磁場等作用下迅速實(shí)現(xiàn)物態(tài)的改變，這種流體稱為流變體。

1947年，電流變體就被發(fā)現(xiàn)了，但直到20世紀(jì)80年代才逐漸看到電流變體（和磁流變體）的價(jià)值。在電場(磁場)作用下，電(磁)流變體的表觀黏度或剪應(yīng)力有明顯的突變，這種變化可以在毫秒量級的時(shí)間間隔內(nèi)完成，而且是可逆的，一旦除去電場（磁場），又可以恢復(fù)到原來的液態(tài)。此外，這種變化又是連續(xù)的、可控制的。

電（磁）流變體的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，已用這些材料制成離合器、液壓閥、減震器等。在機(jī)器人領(lǐng)域中，可以用電流變體制造出體積小、反應(yīng)快、動作靈活、直接用微機(jī)控制的活動關(guān)節(jié)，這種關(guān)節(jié)既可以活動(液體狀態(tài)時(shí))，也可以在某種姿勢下保持穩(wěn)定(固體狀態(tài)時(shí))。

軟物質(zhì)

軟物質(zhì)是處于固體和理想流體之間的一切物質(zhì)，包括液晶、聚合物、膠體、生物膜、泡沫、生物大分子(DNA和蛋白質(zhì)等)及顆粒物質(zhì)等。

軟物質(zhì)在自然界、生命體系、日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在，已被人類研究使用了許多世紀(jì)。但由于其復(fù)雜性，這類物質(zhì)的奇異特性和一般運(yùn)動規(guī)律尚未得到很好的認(rèn)識。20世紀(jì)80年代末開始將軟物質(zhì)作為一類普遍物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行研究時(shí)，曾用復(fù)雜流體來稱呼這類物質(zhì)。這種稱呼顯然不恰當(dāng)，作為人類最早接觸的軟物質(zhì)——橡膠，就不是流體?，F(xiàn)在，復(fù)雜流體已被正確的軟物質(zhì)概念所代替。

弱力強(qiáng)反應(yīng)

一顆紐扣電池可使液晶手表成年累月地走個(gè)不停，一滴鹵汁可使一杯豆?jié){變成豆腐，這都表明作為軟物質(zhì)的液晶、豆?jié){能對外界微小的作用作出強(qiáng)烈的反 應(yīng)。橡膠硫化處理技術(shù)便利用了軟物質(zhì)的這一基本特性。天然橡膠每200個(gè)碳原子中，只要有一個(gè)原子與硫發(fā)生反應(yīng)，就會使橡膠的碳?xì)滏溸B成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使 膠乳從液態(tài)變成固態(tài)。

經(jīng)硫化處理的橡膠在宏觀尺度上是固體，但微觀尺度上(如用核磁共振檢測)仍然是局部液體。因此，這種固體表現(xiàn)得特別柔軟。軟物質(zhì)的“軟”的含義和物理本質(zhì)就表現(xiàn)在這層意義上。

線形鏈

聚合物是由一種或幾種簡單單體聚合而成的長鏈化合物。日常生活中接觸的物質(zhì)很多都可歸于長鏈聚合物，如木頭、糧食、紡織品、塑料及絕大部分的生 物材料。數(shù)百年前人們懂得了從木漿中提取纖維素制造人造纖維，但在很長一段時(shí)間中，人們滿足于制造這些物質(zhì)，而缺乏對它們的研究，未認(rèn)識到它們是由線形長 鏈聚合物組成的。1920年前后，德國施陶丁格創(chuàng)立高分子線形鏈學(xué)說，證明存在由簡單分子組成的線形聚合物。其實(shí)，由簡單單體聚合而成的聚合物在室溫下是 相當(dāng)柔軟且具有很多構(gòu)型的，帶有很大的熵。當(dāng)一張聚合物鏈的網(wǎng)被拉伸，其多構(gòu)型的能力(即熵)就降低，因此自由能增加，這如同拉彈簧一樣，這一特性稱為熵 彈性，它是軟物質(zhì)的第二個(gè)基本特征。線形聚合物對于分岔形聚合物和其他片狀(網(wǎng)狀)聚合物而言占有絕對優(yōu)勢，因?yàn)榫酆衔锏倪@種線形構(gòu)型最易于形成。

線形聚合物的構(gòu)型與量子力學(xué)中粒子軌道的統(tǒng)計(jì)性有很大的相似性，把量子力學(xué)中的時(shí)間與聚合物長度對應(yīng)起來，量子力學(xué)知識就可以全盤用于聚合物的 統(tǒng)計(jì)力學(xué)分析。量子力學(xué)所描述的微觀體系的奇異特性將體現(xiàn)在作為軟物質(zhì)的高分子體系上，從這個(gè)角度看，軟物質(zhì)的特性研究正方興未艾。

表面活性劑

構(gòu)成軟物質(zhì)的另一大類分子是表面活性劑，雖然其分子尺寸相當(dāng)小(一二納米)，卻具有兩極分化的性質(zhì)：它的一端是強(qiáng)烈親水的極性端，通常是羧基; 極性端以外是單股或雙股的脂肪鏈，它們是親油的。把表面活性劑撒在水面上，表面活性劑分子的極性端一頭埋在水中，而脂肪鏈則伸向空氣一側(cè)，形成單分子膜。 這類分子在水中形成雙層膜，它是兩個(gè)單層膜的復(fù)合體：親油的脂肪鏈被夾在雙層膜內(nèi)，而極性端則向外形成親水界面。日常用的肥皂就是雙層膜和水分子層疊合在 一起形成的表面活性劑的層狀相。

細(xì)胞膜是脂質(zhì)的雙層膜，這些膜泡外面是親水界面，因此可以在水中自由運(yùn)動。雙層膜的熱漲落還可產(chǎn)生與膜間距三次方成反比的熱斥力，這個(gè)力的存在 可以平衡范德瓦耳斯力(也是與距離的三次方成反比的吸引力)，因而避免了細(xì)胞的黏連，在生物學(xué)上有重大意義。雙層膜除了形成泡外，還可以形成連綿不斷、具 有復(fù)雜拓?fù)錈o序(或叫各向同性)的三維結(jié)構(gòu)，稱為海綿相。

在稀溶液狀態(tài)，表面活性劑分子可以形成單純的分子球——膠束。隨著水溶液的減少，球形膠束會形成六角分布的柱狀膠束，直至形成層狀相的雙層膜疊 合層。在膠體中，分散的膠粒之所以不能被范德瓦耳斯力吸引成團(tuán)，很大部分原因是這些膠粒表面被表面活性劑分子所包圍，如微乳是油滴在水中的分散體系，油滴 是由表面活性劑保護(hù)著的。而另外一部分膠體中的膠粒則是由聚合物保護(hù)著，如墨水中的炭黑之所以許多年也不會沉淀，則是由于墨水中加入了從洋槐樹的樹漿中提 煉出來的膠汁(一種親水的高分子)，這種高分子吸附在炭黑的表面，它們與水的黏合力比范德瓦耳斯力強(qiáng)，使炭黑得以長時(shí)間不沉淀。

總之，在軟物質(zhì)中親水與疏水作用是最重要的分子間相互作用，這也正是生物體系可歸結(jié)為軟物質(zhì)研究的原因。

fluent中使用非牛頓流體

FLUENT中比較常用的用于非牛頓流的計(jì)算的四種模型為冪律模型、Carreau模型、Cross 模型和Herschel-Bulkley 模型。下面分別介紹這四種模型：

• 冪律模型

在 Viscosity（粘度）右邊的下拉列表中選擇non-newtonian-power-law（非牛頓冪律），則Non-Newtonian Power Law（非牛頓冪律）面板隨即打開。輸入項(xiàng)包括Consistency Index k（稠度指數(shù)k）、Power-Law Index n（冪律指數(shù)n）、Reference Temperature T0（參考溫度T0）、Mininum Viscosity Limit ηmin （最小粘度ηmin ）和Maximum Viscosity Limit ηmax（最大粘度ηmax）。對于溫度無關(guān)的粘度值，應(yīng)該將T0設(shè)置為0。如果計(jì)算中不包含能量方程，F(xiàn)LUENT 用溫度的缺省值273K進(jìn)行冪律粘度計(jì)算。

• 用于仿塑膠計(jì)算的Carreau 模型

非牛頓流體粘度的冪律模型給出的粘度η 隨剪切速率γ的變化關(guān)系為：γ趨近于0時(shí)，η趨近于η0；γ趨近于無窮大時(shí)，η趨近于η∞。Carreau模型則使用曲線擬合將牛頓流體和剪切變?。╪<1）非牛頓流體結(jié)合在一起，從而達(dá)到模擬更大范圍流體粘度的目的。

在 Viscosity（粘度）右邊的下拉列表中選擇carreau，Carreau Model（Carreau 模型）面板隨即打開。此時(shí)可以輸入時(shí)間常數(shù)λ、冪律指數(shù)n、參考溫度T0、零剪切粘度η0和無窮剪切粘度η∞。

• Cross 模型

在 Viscosity（粘度）右邊的下拉列表中選擇cross，就可以打開Cross Model（Cross模型）面板。可以輸入的參數(shù)包括時(shí)間常數(shù)λ 、冪律指數(shù)n、參考溫度T0和零剪切粘度η0。

• 用于計(jì)算Bingham 塑膠粘度的Herschel-Bulkley 模型
  

Herschel-Bulkley 模型用于模擬在剪切應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)，剪切應(yīng)力不為零的流體的粘度。

在 Viscosity（粘度）右邊的下拉列表中選擇herschel-bulkley，則Herschel-Bulkley 模型面板將自動打開。面板中可以輸入的參數(shù)包括Consistency Index k（稠度指數(shù)k）、Power-Law Index n（冪律指數(shù)n）、Yield Stress Threshold τ0（屈服應(yīng)力閾值τ0 ）、Yielding Viscosity μ0（屈服粘度μ0）。

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