Experimentelle Messung der Settling Velocity von sphärischen Partikeln in unbeschränkten und geschlossenen Tensid-basierten Scherdünnungsviskoelastischen Flüssigkeiten

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die terminalen Absetzgeschwindigkeiten von sphärischen Partikeln in ungebundenen und gebundenen viskoelastischen Fluiden auf Tensidbasis unterschiedlicher Logik zu messen. Dies wird durch die Herstellung von viskoelastischen Flüssigkeiten auf Tensidbasis unterschiedlicher Konzentrationen erreicht, um eine breite Palette von realen logischen Eigenschaften zu erhalten. Der zweite Schritt besteht darin, die Absetzgeschwindigkeiten von Partikeln in ungebundenen Flüssigkeiten in Bechern mit einem Durchmesser zu messen, der viel größer ist als das Partikel über einen weiten Bereich von fluidradiologischen Eigenschaften.

Anschließend wird die Absetzgeschwindigkeit der Partikel in Gegenwart von parallelen Wänden in einer Parallelplatten-Versuchszelle aus Plexiglas gemessen. Der letzte Schritt besteht darin, die radiologischen Eigenschaften der Flüssigkeiten zu messen. Mit Hilfe eines ters werden die Eigenschaften mit den Absetzgeschwindigkeiten der Partikel korreliert.

Letztendlich hilft das Experiment bei der Messung der Absetzgeschwindigkeiten in ungebundenen und gebundenen viskoelastischen Tensidflüssigkeiten in Abhängigkeit von ihren realen logischen Eigenschaften. Die Daten können die Grundlage für die Quantifizierung des Einflusses der Fluidelastizität auf die Setzgeschwindigkeiten bilden. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass andere Labore das reproduzieren können, was wir in unseren Experimenten demonstrieren.

Es ist äußerst wichtig, eine gute Genauigkeit bei diesen Messungen für viele praktische Anwendungen wie Hydraulic Fracturing, Fertigung in der pharmazeutischen Industrie, Halbleiterverarbeitung und so weiter zu erzielen. Genaue experimentelle Ergebnisse für Partikelabsetz- und viskoelastische Flüssigkeiten können außerdem die Grundlage für die Validierung numerischer Simulationen bilden, die den Einfluss der Elastizität auf den Partikelwiderstand berechnen. Bereiten Sie in einem ersten Schritt die zweikomponentigen optisch transparenten viskoelastischen Flüssigkeiten vor, die in diesem Experiment verwendet werden.

Eine Komponente ist ein onisches Tensid, Natriumxylolsulfonat. Die andere Komponente ist ein onisches Tensid, NNN-Trimethylon Okta de Ammoniumchlorid. Verwenden Sie destilliertes Wasser, um das Tensid und die Konzentrationen zu variieren und einen Bereich von Viskositäten einzustellen.

Beginnen Sie damit, das onische Tensid in die erforderliche Menge destilliertes Wasser zu geben. Nach dem Mischen das kationische Tensid zu dieser Mischung geben und weitere zwei bis drei Minuten mischen. Sobald eine Mischung hergestellt ist, lassen Sie sie zwei bis sechs Stunden ruhen, um Luftblasen für die Messung freizusetzen, erhalten Sie Glaskugeln mit Durchmessern von einem bis fünf Millimetern.

Verwenden Sie ein hochauflösendes Mikroskop, um die Durchmesser der Kugeln zu messen und sicherzustellen, dass sie glatt und nahezu perfekt sind. Um den Einfluss der begrenzenden Wände auf die Absetzgeschwindigkeiten der Raupen zu minimieren. Geben Sie die viskoelastische Flüssigkeit in einen Glasbehälter mit einem Durchmesser, der mindestens das 25-fache des Durchmessers der zu verwendenden Kugeln beträgt.

Erfassen Sie die Raumtemperatur und die Temperatur des Mediums mit einem Laborthermometer und montieren Sie einen Messstab an der Seite des Behälters. Verwenden Sie eine hochauflösende Kamera, die auf einem Stativ montiert ist, um die Bewegung des Partikels in der Flüssigkeit aufzuzeichnen. Tauchen Sie eine Glaskugel vorsichtig in die Flüssigkeit und lassen Sie sie frei, wenn sie sich absetzt.

Zeichnen Sie den Vorgang auf, sobald die Aufnahme abgeschlossen ist. Verwenden Sie ein Bildanalyseprogramm, um die Position der Kugel zu verschiedenen Zeiten zu verfolgen. Plotten Sie die vertikale Position der Kugel als Funktion der Zeit.

Berechnen Sie dann die Sinkgeschwindigkeit des Anschlusses aus der Steigung der Linie. Wiederholen Sie das Experiment unter den gleichen Bedingungen mit derselben Kugel mindestens dreimal. Wiederholen Sie dann die Schritte für Kugeln mit unterschiedlichen Durchmessern.

Verwenden Sie die gesammelten Daten, um die Einschwinggeschwindigkeiten im Vergleich zum Kugeldurchmesser darzustellen, da in diesem Beispiel die Fehlerbalken die Variabilität in den drei Messungen für jede Kugel anzeigen. Beachten Sie, dass die Absetzgeschwindigkeit mit dem Parameter Kugeldurchmesser zunimmt. Für diese Messung konstruieren Sie eine Zelle aus glattem Plexiglas mit Wänden, die perfekt parallel zueinander sind, und Zugangsöffnungen an der Ober- und Unterseite.

Diese Zelle hat einen Spalt von acht Millimetern zwischen den Wänden, das Verhältnis von Spalt und horizontaler Länge sollte klein sein. Verschließen Sie eine der Zugangsöffnungen und füllen Sie die Zelle mit viskoelastischer Flüssigkeit. Erfassen Sie die Raumtemperatur und die Flüssigkeitstemperatur mit einem Laborthermometer mit der hochauflösenden Kamera zur Aufzeichnung und legen Sie die Zelle auf die Seite.

Lösen Sie vorsichtig eine Glasperle in der Zelle durch den Port und verschließen Sie den Port mit einem Gummistopfen. Lassen Sie die Kugel sich absetzen und erreichen Sie die Mitte der Zelle. Drehen Sie die Zelle so, dass sie vertikal ist und sich die Kugel absetzen kann.

Platziere einen Zähler. Kleben Sie die Bewegungskugel mit der hochauflösenden Videokamera entlang der Aufzeichnungskugel. Verwenden Sie das Bildanalyseprogramm, um die Sinkgeschwindigkeit wie bisher zu bestimmen.

Um die Flüssigkeit zu charakterisieren, verwenden Sie ein TER, um ihre Viskosität in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu messen. Stellen Sie zunächst sicher, dass die Temperatur des Bechers mit der während des Experiments gemessenen Temperatur übereinstimmt. Variieren Sie dann die reine Rate von 0,1 pro Sekunde bis 800 pro Sekunde.

Nehmen Sie mindestens 10 Messungen pro Dekade für die Flüssigkeit und die Kugeln in den Absetzexperimenten vor. Berechnen Sie die hier definierte gemittelte Partikelscherrate der Oberfläche. V ist die Sinkgeschwindigkeit und DP ist der Kugeldurchmesser.

Definieren Sie als Nächstes eine Power-Lock-Kurve in der Scherrate für die Viskosität. Dabei ist K der Konsistenzindex für die Strömung und N der Index für das Fliesenverhalten. Passen Sie diese Kurve an das Diagramm Viskosität gegen Scherrate für Werte in der Nähe der berechneten Schergeschwindigkeit an.

Fahren Sie mit der Charakterisierung fort, indem Sie dynamische Oszillationen ausführen. Reine Messungen über den Frequenzbereich. 0,1 rad pro Sekunde bis 100 rad pro Sekunde.

Messen Sie den Elastizitätsmodul und den viskosen Modul bei mindestens 10 Punkten pro Dekade und passen Sie dann das Verhältnis von mod I an ein Maxwell-Modell an, um die Relaxationszeit des Fluids zu bestimmen. Beginnen Sie mit der Untersuchung des Einflusses der Flüssigkeitselastizität, indem Sie die Absetzviskosität in einer ungebundenen unelastischen Flüssigkeit ermitteln. Verwenden Sie dazu K und n aus den Charakterisierungsstudien, die Fluiddichte und die Reynolds-Zahl.

Für eine Kugel, die in ein Potenzgesetz-Fluid fällt, fahren Sie fort, indem Sie das Geschwindigkeitsverhältnis berechnen, das als experimentelle Absetzgeschwindigkeit in einem unbegrenzten Fluid über der Absetzgeschwindigkeit basierend auf der Viskosität des Potenzgesetzes definiert ist. Mit den Werten k und n können Sie das Geschwindigkeitsverhältnis als Funktion des Kugeldurchmessers für verschiedene Flüssigkeiten darstellen. In diesem Fall kommt es bei kleineren Kugeln zu einer Verringerung des Luftwiderstands und bei größeren Kugeln zu einer Reduktion.

Eine Widerstandsverstärkung bestimmt den Wandfaktor für eine Kugel mit gegebenem Durchmesser, indem die Absetzgeschwindigkeit in Gegenwart von Wänden durch die Absetzgeschwindigkeit in der unbegrenzten Flüssigkeit dividiert wird. Für ein gegebenes Fluiddiagramm werden die Wandfaktoren als Funktion des Kugeldurchmessers zum Wandabstand R faktorisiert, wie hier gezeigt. Diese Daten zeigen, dass die Wandfaktoren mit zunehmendem Wert von R abnehmen. Dies deutet darauf hin, dass die Wandverzögerungseffekte zunehmen, wenn die Kugeldurchmesser mit dem Wandabstand vergleichbar werden.

Beachten Sie, dass der Wandfaktor bei einem Wert von R im Gegensatz zu newtonschen Flüssigkeiten nicht eindeutig ist und vom Wandabstand abhängt. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Flüssigkeitsradiologie eine starke Funktion der Temperatur ist. Die Temperatur, bei der das Experiment durchgeführt wird, sollte genau aufgezeichnet werden, und die Fluidologie sollte bei der gleichen Temperatur gemessen werden.

Für den Experimentator ist es sehr wichtig, die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen zu überprüfen, indem er diese Experimente an einigen Modellsystemen durchführt, wie z. B. dem Absetzen von Partikeln in einer unbegrenzten Flüssigkeit in Lösungen wie Glycerin, die gut verstanden sind. Es ist auch wichtig, diese Messungen drei- oder viermal zu wiederholen, damit Sie eine Vorstellung davon bekommen, wie hoch die Wiederholbarkeit der Messungen und die Genauigkeit der Messungen ist.