同轴圆筒测黏计原理与应用——生物流体力学

"同轴圆筒测黏计是一种用于测量流体粘度的实验设备，常见于流变学研究。该设备由两个同心放置的圆筒组成，一个圆筒固定，另一个可以旋转，通过施加扭矩使旋转圆筒转动，从而在两圆筒间的流体内产生剪切力。这种剪切力导致的扭矩变化与流体的粘度有关。" 同轴圆筒测黏计的工作原理基于牛顿流体的特性，即剪切应力与剪切速率成正比。在图4.2中，描述了这种装置的示意图，其中内部圆筒表面的扭矩\( T \)可以通过公式\( T = FJ \)计算，这里\( F \)代表作用力，\( J \)是转动惯量。另一种表示扭矩的公式是\( T = (2\pi\eta r h)/r \)，其中\( \eta \)是流体的粘度，\( r \)是距旋转轴的距离，\( h \)是两圆筒之间的间隙。 在实际应用中，由于两圆筒之间的间隙相对于圆柱半径非常小，我们可以假设流体在圆筒间隙内的剪切速率是均匀的。根据牛顿流体的假设，剪切应力\( \tau \)与剪切速率成正比，即\( \tau = \eta \cdot \dot{\gamma} \)。在同轴圆筒测黏计中，剪切应力与圆周率、粘度、圆筒间隙高度和距离旋转轴的半径的乘积成正比，而与半径的倒数成正比，所以表达式可以改写为\( \tau = (2\pi\eta h)/r^2 \)。这个公式揭示了切应力与旋转轴距离的平方成反比的关系。 在生物流体力学领域，尤其是在研究人体循环系统时，了解流体的粘度至关重要。血液作为非牛顿流体，其粘度会随剪切速率改变，这影响了血液在血管中的流动特性。同轴圆筒测黏计能够提供血液或其他生物流体在不同剪切速率下的粘度数据，有助于科学家们理解流体动力学对心血管健康的影响，例如血液流动阻力、血栓形成的风险以及药物对血液粘度的潜在影响等。 "Biofluid Mechanics: The Human Circulation"一书是由Krishnan B. Chandran、Stanley E. Rittgers和Ajit P. Yoganathan合著的专业教材，深入探讨了生物流体力学在人体循环系统中的应用。书中涵盖了流体力学的基本原理、血液的流变学特性，以及这些理论如何解释和预测心脏、血管和微循环系统的生理现象。此书是生物医学工程、生理学和相关领域的宝贵资源，帮助读者理解生物流体动力学在人体健康和疾病中的复杂作用。