Name: Medición Experimental De La Velocidad De Sedimentación De Partículas Esféricas En Fluidos Viscoelásticos De Adelgazamiento No Confinados Y Confinados A Base De Surfactante (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-01-03T19:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Aprende a medir velocidades de sedimentación terminal de partículas esféricas en fluidos viscoelásticos de adelgazamiento basados en surfactante, tanto confinados como no confinados. Este método experimental permite correlacionar propiedades reológicas con la dinámica de partículas.

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Los autores están agradecidos al DOE y RPSEA por el apoyo financiero y a las compañías patrocinadoras del JIP sobre Fracturación Hidráulica y Control de Arena en la Universidad de Texas en Austin (Air Liquide, Air Products, Anadarko, Apache, Baker Hughes, BHP Billiton, BP America, Chevron, ConocoPhillips, ExxonMobil, Ferus, Halliburton, Hess, Linde Group, Pemex, Pioneer Natural Resources , Praxair, Saudi Aramco, Schlumberger, Shell, Southwestern Energy, Statoil, Weatherford e YPF).

1. Preparación de los Fluidos
Para este estudio experimental se utiliza un sistema de fluidos sin polímeros, viscoelástico, de dos componentes y basado en surfactante. Este sistema de fluidos se ha utilizado en pozos de petróleo y gas en muchos campos productores para tratamientos de fracturación hidráulica44,45. Este sistema de fluidos se utiliza para este estudio porque es ópticamente transparente y la reología se puede controlar variando sistemáticamente las concentraciones y proporciones de los dos componentes. El sistema de fluidos consiste en un surfactante aniónico (como el sulfonato de xileno sódico) como componente A y un surfactante catiónico (como el cloruro de N,N,N-trimetil-1-octadecamonio) como componente B.
<ol><li>Agregue una concentración dada del componente A al agua destilada y mezcle a altas rpm utilizando un mezclador aéreo para garantizar una mezcla adecuada. Dejar que se mezcle durante 2-3 min.</li>
	<li>Añadir una concentración dada del componente B a esta mezcla y dejar que se mezcle durante 2-3 min adicionales.</li>
	<li>Descanse la mezcla durante 2-6 horas para ventilar las burbujas de aire. Nota: La mezcla de fluido final es ópticamente transparente. Para este estudio se utilizan siete mezclas de fluidos de diferentes concentraciones. Las concentraciones se eligen para obtener la mezcla de fluidos en una amplia gama de viscosidades.</li>
</ol>2. Medición de velocidades de sedimentación en fluidos no acotado
Se utilizan esferas de vidrio de diámetros que van desde 1-5 mm.
<ol><li>Utilice un microscopio de alta resolución para medir el diámetro de las esferas de vidrio. Asegúrese de que las esferas tengan superficies lisas y sean esferas casi perfectas.</li>
	<li>Guarde el líquido en recipientes de vidrio con un diámetro de al menos 25 veces el diámetro de las partículas para asegurarse de que no haya ningún efecto de las paredes de confinamiento en la velocidad de sedimentación de las partículas.</li>
	<li>Registre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido utilizando un termómetro de laboratorio. La medición de la temperatura es importante porque las mediciones reológicas del fluido deben realizarse a la temperatura a la que se realiza el experimento de decantación.</li>
	<li>Coloque un palo de medidor junto al contenedor.</li>
	<li>Sumerja suavemente la partícula de vidrio en el líquido y deje que se asiente. Grabe el proceso de asentamiento con una cámara de vídeo de alta resolución.</li>
	<li>Realice un seguimiento de la posición de la partícula en diferentes pasos de tiempo del vídeo grabado utilizando una aplicación de análisis de imágenes. Nota: En este trabajo, se utiliza una aplicación de software llamada 'Tracker'<a href="http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/" target="_blank">(http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/).</a></li>
	<li>Trace la posición vertical de la partícula frente al tiempo y calcule la velocidad de sedimentación terminal desde la pendiente de la línea.</li>
	<li>Repita el experimento bajo el conjunto único de condiciones al menos 3 veces para garantizar la reproducibilidad. Realice el análisis de la imagen para diversas medidas e informe la velocidad de establecimiento para un diámetro dado de la partícula en un fluido particular usando las barras de error.</li>
	<li>Repita los pasos anteriores para partículas de diferentes diámetros y registre las velocidades de sedimentación. Trazar la velocidad de sedimentación frente al diámetro de la partícula. Nota: La Figura 1 muestra la velocidad de sedimentación de cinco partículas de diferentes tamaños en un fluido.
</li>
</ol>3. Medición de velocidades de sedimentación para fluidos entre paredes paralelas
Para medir las velocidades de sedimentación en presencia de paredes paralelas, se utilizan dos células experimentales hechas de plexiglás.
<ol><li>Mientras diseña y construye la celda, asegúrese de que las paredes sean lisas y perfectamente paralelas entre sí. Mantenga la relación de aspecto de las celdas baja para asegurarse de que no hay ningún efecto de las paredes ortogonales a las paredes paralelas. Nota: El boquete entre las paredes en las dos células en este estudio es 3.6 milímetros y 8 milímetros, respectivamente. La Figura 2 muestra un esquema de una célula experimental.</li>
	<li>Llene la celda con el líquido y suelte suavemente la partícula en la celda a través del puerto de entrada/salida. Selle el puerto de entrada/salida con un tapón de goma y permita que la partícula se asiente hasta que llegue al centro de la célula.</li>
	<li>En este punto, coloque cuidadosamente la celda verticalmente y permita que la partícula se asiente.</li>
	<li>Coloque un palo de medidor junto a la celda y grabe el asentamiento utilizando la cámara de video de alta resolución.</li>
	<li>Registre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido utilizando un termómetro de laboratorio. Esto es importante porque las mediciones reológicas del fluido deben realizarse a esta temperatura.</li>
	<li>Al igual que con las mediciones de velocidad de decantación ilimitadas, mida la velocidad de sedimentación en la aplicación de software 'Tracker'. Repita las mediciones al menos tres veces para garantizar la reproducibilidad y obtener barras de error en cada medición.</li>
</ol>4. Caracterización reológica de fluidos
<ol><li>Realice las mediciones de viscosidad de cizalladura constante para medir la viscosidad del fluido en función de la velocidad de cizalladura. Nota: En este trabajo, se utiliza el reómetro ARES de TA Instruments con un accesorio de cilindro concéntrico de doble pared (diámetro de la copa interior: 27,95 mm, diámetro de la sacudida interior: 29,50 mm, diámetro de la sacudida exterior: 32,00 mm, diámetro de la copa exterior: 34,00 mm, longitud de la sacudida: 32,00 mm).
</li>
	<li>Varíe la tasa de cizalladura de 0.1-800 seg-1 y tome medidas a 10 puntos/década. Asegúrese de que la temperatura de la copa sea la misma a la que se realizó el experimento de decantación en el mismo fluido. La Figura 3 muestra la viscosidad versus la tasa de cizalladura para una muestra de fluido en una gráfica logarítmica.</li>
	<li>Para el mismo fluido, calcule el rango de velocidad de cizallamiento que las partículas encontraron en los experimentos de sedimentación. Utilice la velocidad de cizalladura de partículas promediada en superficie definida por 2V/dp 20,23,donde V es la velocidad de sedimentación de la partícula y dp es el diámetro de la partícula.</li>
	<li>Ajuste una curva de ley de potencia μ=Kγn-1en este rango de velocidades de cizalladura en la gráfica de viscosidad versus velocidad de cizalladura. En una gráfica log-log este ajuste será una línea recta. Determine los parámetros K (índice de consistencia de flujo) y n (índice de comportamiento de flujo). K y n cuantifican la viscosidad de los fluidos. La Figura 3 muestra el ajuste de la ley de potencia en la misma gráfica.</li>
	<li>Realizar las mediciones dinámicas oscilatorias-cizallamiento en el rango de frecuencias de 0,1-100 rad/seg y medir el módulo elástico, G' y módulo viscoso, G''. Tome la medición en 10 puntos / década. La Figura 4 muestra la G' y G'' para una muestra de fluido.</li>
	<li>Calcular la relación de los dos módulos, G''/G' a partir de estos datos. Ajuste la relación de módulos a un modelo de Maxwell utilizando un análisis de regresión y calcule el tiempo de relajación (λ) del fluido. La ecuación para la relación de los dos módulos para un modelo de Maxwell es46,47:</li>
</ol><img alt="Equation 12" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq12highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq12.jpg"> El tiempo de relajación del fluido cuantifica la elasticidad del fluido. Mayor el tiempo de relajación, más elástico es el líquido. La Figura 5 muestra la G''/G'para la muestra de fluido junto con el ajuste de Maxwell. El ajuste se realiza minimizando la suma de la medida de varianza en el rango de frecuencias. <img alt="Equation 13" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq13highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq13.jpg">
5. Determinar la influencia de la elasticidad en las velocidades de sedimentación ilimitadas
<ol><li>Denotar la velocidad de sedimentación experimental de una partícula en fluido no acotado por V∞VE donde '∞VE ' se refiere a fluidos viscoelásticos no confinados. Compare esta velocidad de sedimentación experimental con la velocidad de decantación(V∞INEL)calculada sobre la base de datos de viscosidad aparente basados en los parámetros de la ley de potencia. Utilice las expresiones desarrolladas por Renaud et al. 1 para calcular V∞INEL. Las expresiones se mencionan en la sección Introducción. '∞INEL' se refiere a los fluidos inelásticos no confinados.</li>
	<li>Calcule la relación V∞EL/V∞INEL y refiérase a la relación como la relación de velocidad. El valor de la relación de velocidad ilustra la influencia de la elasticidad en la velocidad de sedimentación. La relación de velocidad mayor que 1 sugiere un aumento de la velocidad / reducción de la resistencia debido a la elasticidad del fluido. La relación de velocidad inferior a 1 sugiere una reducción de la velocidad/mejora de la resistencia debido a la elasticidad del fluido.</li>
	<li>Trazar la relación de velocidad en función del diámetro de las partículas para diferentes fluidos para observar el efecto de la elasticidad en la velocidad de sedimentación de partículas de diferentes diámetros en fluidos de diferentes reologías. La Figura 6 muestra la relación de velocidad en función del diámetro de las partículas en uno de los fluidos.</li>
</ol>6. Cuantificación Del Efecto Retardación De Las Paredes Paralelas En Las Velocidades De Sedimentación
<ol><li>Calcular el factor de pared, Fw para una partícula de diámetro dado dividiendo la velocidad de sedimentación en presencia de paredes paralelas, V∞VE a la velocidad de sedimentación en el fluido no acotado, V∞VE.</li>
	<li>Para un fluido dado, trace los factores de la pared en función de la relación de espaciamiento entre el diámetro de las partículas y la pared, r. La Figura 7 muestra los factores de pared para las partículas que se establecen en uno de los fluidos. La gráfica ayuda a cuantificar el efecto retardado de las paredes de confinamiento en la velocidad de sedimentación. Baje el factor de la pared, más alto el efecto de retraso de la pared.</li>
</ol>

<ol><li>Renaud, M., Mauret, E., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Power-law+fluid+flow+over+a+sphere%3A+average+shear+rate+and+drag%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Power-law fluid flow over a sphere: average shear rate and drag.</a> 82, 1066-1070 (2004).</li>
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</ol>

Los autores desean señalar que el objetivo de esta publicación es la demostración visual del procedimiento experimental para medir el asentamiento de partículas. Para obtener resultados y análisis detallados, los lectores deben consultar la publicación anterior43.

El estudio experimental se centra en la medición de las velocidades de sedimentación de partículas esféricas en fluidos viscoelásticos de adelgazamiento de cizallamiento en condiciones no confinadas y confinadas. El procedimiento experimental detallado para obtener medidas repetibles de las velocidades que se coloca se presenta. Los resultados se presentan para mostrar que la elasticidad del líquido puede aumentar o disminuir la velocidad de sedimentación. Las paredes ejercen un efecto retardado en la sedimentación y est...

Las suspensiones de partículas en líquidos se encuentran en aplicaciones que incluyen la fabricación farmacéutica, el tratamiento de aguas residuales, la reinyección de propelente espacial, el procesamiento de semiconductores y la fabricación de detergentes líquidos. En la industria petrolera, los fluidos de fracturación viscoelástica se utilizan para transportar proppants (típicamente arena) en fracturas hidráulicas. Tras el cese del bombeo, los proppants mantienen la fractura abierta y proporcionan una vía conductora para que los hidrocarburos fluyan hacia atrás.
El asentamiento de partículas se rige por la reología y densidad del fluido, el tamaño, la forma y la densidad de las partículas y el efecto de las paredes de confinamiento. Para una partícula esférica que se establece en un fluido newtoniano en el régimen de flujo rastrero, la velocidad de sedimentación está dada por la ecuación de Stokes, derivada por Stokes en 1851. Expresiones para calcular la fuerza de arrastre en números de Reynolds más altos han sido presentadas por investigadores posteriores2-6. Las paredes de confinamiento reducen las velocidades de sedimentación al ejercer un efecto retardado sobre las partículas. El factor de pared, Fw, se define como la relación entre la velocidad de sedimentación terminal en presencia de paredes de confinamiento y la velocidad de decantación en condiciones ilimitadas. El factor de pared cuantifica el efecto retardación de las paredes de confinamiento. Muchos estudios teóricos y experimentales para determinar los factores de pared para esferas que se establecen en fluidos newtonianos en diferentes tubos de sección transversal en una amplia gama de números de Reynolds están disponibles en la literatura7-13. En total, hay un extenso cuerpo de información disponible para determinar el arrastre de esferas en fluidos newtonianos.
El trabajo anterior sobre la determinación de la velocidad de sedimentación de partículas en fluidos no newtonianos, particularmente fluidos viscoelásticos, es menos completo. Varias predicciones numéricas14-18 y estudios experimentales19-24 están disponibles en la literatura para determinar la fuerza de arrastre en una esfera en fluidos inelásticos de ley de potencia. Utilizando las predicciones teóricas de Tripathi et al. 15 y Tripathi y Chhabra17,Renaud et al. 1 desarrolló las siguientes expresiones para calcular el coeficiente de arrastre(CD)en fluidos de ley de potencia inelástica.
Para RePL<0.1 (régimen de flujo rastrero)
<img alt="Equation 1" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq1.jpg"> donde X(n) es el factor de corrección de arrastre13. RePLes el número de Reynolds para una esfera que cae en un líquido de ley de potencia definido como:
<img alt="Equation 2" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq2.jpg"> donde ρf es la densidad del líquido. El factor de corrección de arrastre se ajustó con la siguienteecuación 1:
<img alt="Equation 3" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq3.jpg"> Utilizando la definición de coeficiente de arrastre, la velocidad de decantación se calcula como:
<img alt="Equation 4" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq4.jpg"> Para 0.1<RePL<100
<img alt="Equation 5" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq5.jpg"> donde X es la relación entre el área de superficie y el área proyectada de la partícula y es igual a 4 para las esferas. CD0 es el coeficiente de arrastre en la región de Stokes (RePL < 0,1) dado por la Ecuación 1, CD∞ es el valor del coeficiente de arrastre en la región de Newton (RePL > 5 x 102)y es igual a 0,44. Los parámetros β, b, k se expresan como:
<img alt="Equations 6-8" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq6-8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq6-8.jpg"> αo = 3 y α es la corrección para la tasa media de cizalladura relacionada con X(n) como:
<img alt="Equation 9" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq9.jpg"> Para calcular la velocidad de sedimentación se utiliza el grupo adimensional Nd 25: 
<img alt="Equation 10" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq10.jpg"> Nd es independiente de la velocidad de sedimentación y se puede calcular explícitamente. Usando este valor y la expresión del coeficiente de arrastre en la Ecuación 5,RePL se puede resolver iterativamente. La velocidad de sedimentación se puede calcular utilizando:
<img alt="Equation 11" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq11highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq11.jpg"> Las expresiones de las ecuaciones 1-9 se basaron en predicciones teóricas obtenidas para los valores 1 ≥ n ≥ 0,4. Chhabra13 comparó las predicciones de las expresiones anteriores con los resultados experimentales de Shah26-27 (n varió de 0.281-0.762) y Ford et al. 28 (n varió de 0,06 a 0,29). Se demostró que las expresiones predicen los coeficientes de arrastre con precisión. Sobre la base de estos análisis, la formulación anterior se puede utilizar para calcular la velocidad de sedimentación de partículas esféricas en fluidos de ley de potencia inelástica para 1 ≥ n ≥ 0,06. Esta velocidad de sedimentación predicha en fluidos de ley de potencia inelástica se compara con la velocidad experimental en los fluidos viscoelásticos de ley de potencia para determinar la influencia de la elasticidad del fluido en la velocidad de sedimentación. Los pasos detallados se mencionan en la siguiente sección.
La determinación de la velocidad de sedimentación de partículas en fluidos viscoelásticos también ha sido un tema de investigación con diferentes observaciones por parte de diferentes investigadores; (i) En el régimen de flujo rastrero, los efectos de adelgazamiento de cizallamiento eclipsan completamente los efectos viscoelásticos y las velocidades de sedimentación están en excelente acuerdo con las teorías puramente viscosas29-32,(ii) las partículas experimentan una reducción de arrastre dentro y fuera del régimen de flujo rastrero y las velocidades de sedimentación aumentan debido a la elasticidad30,33,34,(iii) la velocidad de sedimentación se reduce debido a la elasticidad del fluido35. Walters y Tanner36 resumieron que para los fluidos de Boger (fluidos elásticos de viscosidad constante) la elasticidad causa una reducción de arrastre en números bajos de Weissenberg seguido de una mejora de arrastre en números de Weissenberg más altos. McKinley37 destacó que los efectos extensionales en la estela de la esfera causan el aumento de arrastre en números de Weissenberg más altos. Después de una revisión exhaustiva del trabajo previo sobre el asentamiento de partículas en fluidos viscoelásticos no acotados y confinados, Chhabra13 destacó el desafío de incorporar una descripción realista de la viscosidad dependiente de la tasa de cizalladura junto con la elasticidad del fluido en los desarrollos teóricos. El estudio de los efectos de la pared sobre el asentamiento de partículas esféricas también ha sido un área de investigación en los últimos años38-42. Sin embargo, todo el trabajo se ha realizado en la sedimentación de partículas esféricas en tubos cilíndricos. No hay datos disponibles para las partículas esféricas que se establecen en fluidos viscoelásticos entre paredes paralelas.
Este trabajo intenta estudiar experimentalmente el asentamiento de esferas en fluidos viscoelásticos de cizallamiento. El objetivo de este estudio experimental es comprender el impacto de la elasticidad de los fluidos, el adelgazamiento de cizallamiento y las paredes de confinamiento en la velocidad de sedimentación de las partículas esféricas en fluidos viscoelásticos de adelgazamiento de cizallamiento. Este trabajo se centra en los métodos experimentales utilizados para este estudio junto con algunos resultados representativos. Los resultados detallados junto con los análisis se pueden encontrar en una publicación anterior43.

<table><tbody><tr><td>Microesferas de vidrio Whitehouse</td><td>Scientific</td><td>#GP1750</td><td>Disponible en diferentes fracciones de tamiz.</td></tr><tr><td>Reómetro</td><td>TA Instruments</td><td>ARES</td><td>Cualquier reómetro estándar capaz de tomar mediciones dinámicas y estáticas</td></tr><tr><td>Surfactante aniónico (Componente A)</td><td></td><td>Fluido patentado</td><td>Utilizado en servicios de yacimientos petrolíferos para la fracturación hidráulica. El sulfonato de xileno sódico se puede utilizar como sustituto.</td></tr><tr><td>Surfactante catiónico (Componente B)</td><td></td><td>Fluido patentado</td><td>utilizado en servicios de yacimientos petrolíferos para la fracturación hidráulica. El cloruro de N,N,N-Trimetil-1-Octadecamonio se puede utilizar como sustituto.</td></tr></tbody></table>

medición experimental de la velocidad de sedimentación de partículas esféricas en fluidos viscoelásticos de adelgazamiento no confinados y confinados a base de surfactante

Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

Se realiza un estudio experimental para medir las velocidades de sedimentación terminal de partículas esféricas en fluidos viscoelásticos (VES) de adelgazamiento de cizallamiento basados en surfactante. Las mediciones se realizan para partículas que se establecen en fluidos no acotados y fluidos entre paredes paralelas. Los fluidos VES en una amplia gama de propiedades reológicas se preparan y se caracterizan reológicamente. La caracterización reológica implica mediciones constantes de cizallamiento-viscosidad y oscilación-cizallamiento dinámico para cuantificar las propiedades viscosas y elásticas respectivamente. Las velocidades de sedimentación en condiciones ilimitadas se miden en picos con diámetros de al menos 25 veces el diámetro de las partículas. Para medir las velocidades de sedimentación entre paredes paralelas, se construyen dos células experimentales con diferente espaciamiento de pared. Las partículas esféricas de diferentes tamaños se dejan caer suavemente en los fluidos y se dejan que se asienten. El proceso se graba con una cámara de vídeo de alta resolución y la trayectoria de la partícula se graba utilizando un software de análisis de imágenes. Las velocidades de sedimentación terminal se calculan a partir de los datos.
El impacto de la elasticidad en la velocidad de sedimentación en fluidos no acotado se cuantifica comparando la velocidad de sedimentación experimental con la velocidad de sedimentación calculada por las predicciones de arrastre inelástico de Renaud et al. 1 Los resultados muestran que la elasticidad de los fluidos puede aumentar o disminuir la velocidad de sedimentación. La magnitud de la reducción/aumento es una función de las propiedades reológicas de los fluidos y las propiedades de las partículas. Se observa que las paredes de confinamiento causan un efecto retardado en la sedimentación y el retraso se mide en términos de factores de pared.

Los experimentos se realizan para cinco partículas de diámetro diferente en siete mezclas de fluidos diferentes con valores únicos de K, n y λ. La Figura 1 muestra la velocidad de sedimentación en función del diámetro de la partícula en un fluido. Las barras de error muestran la variabilidad en las tres mediciones. La temperatura ambiente medida durante el experimento es de 23 °C. Se puede ob...

Este papel demuestra el procedimiento experimental para medir velocidades terminales que se asentan de partículas esféricas en fluidos viscoelásticos de adelgazamiento surfactante-basados. Se preparan fluidos en una amplia gama de propiedades reológicas y se miden velocidades de sedimentación para un rango de tamaños de partícula en fluidos ilimitados y fluidos entre paredes paralelas.

Medición Experimental De La Velocidad De Sedimentación De Partículas Esféricas En Fluidos Viscoelásticos De Adelgazamiento No Confinados Y Confinados A Base De Surfactante

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic ...

El objetivo general de este procedimiento es medir las velocidades terminales de sedimentación de partículas esféricas en fluidos viscoelásticos basados en surfactantes ilimitados y confinados, con diferentes propiedades reológicas. Esto se logra preparando fluidos viscoelásticos basados en surfactantes a distintas concentraciones, con el fin de obtener una amplia gama de propiedades reológicas reales. El segundo paso consiste en medir las velocidades de sedimentación de partículas en fluidos ilimitados, utilizando vasos de diámetro mucho mayor que el de la partícula, a lo largo de un amplio rango de propiedades reológicas del fluido.A continuación, se mide la velocidad de sedimentación de las partículas en presencia de paredes paralelas en una celda experimental de placas paralelas hecha de plexiglás. El paso final consiste en medir las propiedades radiológicas de los fluidos. Mediante un ter, se correlacionan las propiedades con las velocidades de sedimentación de las partículas.En última instancia, el experimento permite medir las velocidades de sedimentación en fluidos viscoelásticos de surfactantes ilimitados y limitados en función de sus propiedades reológicas reales. Los datos pueden servir como base para cuantificar la influencia de la elasticidad del fluido en las velocidades de sedimentación. La demostración visual de este método es esencial para garantizar que otros laboratorios puedan reproducir lo que estamos mostrando en nuestros experimentos.Es extremadamente importante obtener una buena precisión en estas mediciones para muchas aplicaciones prácticas, como la fracturación hidráulica, la fabricación en la industria farmacéutica, el procesamiento de semiconductores, entre otras. Los resultados experimentales precisos sobre la sedimentación de partículas y los fluidos viscoelásticos pueden servir además como base para validar simulaciones numéricas que calculan el efecto de la elasticidad sobre la resistencia en las partículas. Como primer paso, prepare los dos fluidos viscoelásticos ópticamente transparentes que se utilizarán en este experimento.Un componente es un surfactante aniónico, sulfonato de xileno sódico. El otro componente es un surfactante catiónico, cloruro de NNN trimetil octadecil amonio. Utilice agua destilada para variar los surfactantes, las concentraciones y abarcar un rango de viscosidades.Comience añadiendo el surfactante aniónico a la cantidad requerida de agua destilada. Después de mezclar, agregue el surfactante catiónico a esta mezcla y mezcle durante dos o tres minutos adicionales. Una vez preparada la mezcla, déjela reposar durante dos a seis horas para liberar las burbujas de aire antes de la medición; obtenga esferas de vidrio con diámetros que varían entre uno y cinco milímetros.Utilice un microscopio de alta resolución para medir los diámetros de las esferas y asegúrese de que sean lisas y casi perfectas. Para minimizar el efecto de las paredes confinantes sobre las velocidades de sedimentación de las perlas, vierta el fluido viscoelástico en un recipiente de vidrio con un diámetro al menos 25 veces mayor que el diámetro de las esferas que se utilizarán.Registre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido con un termómetro de laboratorio; coloque una regla métrica a lo largo del costado del recipiente. Utilice una cámara de alta resolución montada en un trípode para grabar el movimiento de la partícula en el fluido. Sumerja suavemente una esfera de vidrio en el líquido y suéltela mientras se va asentando.Registre el proceso una vez finalizada la grabación. Utilice un programa de análisis de imágenes para rastrear la posición de la esfera en diferentes momentos. Represente gráficamente la posición vertical de la esfera en función del tiempo.Luego, calcule la velocidad de sedimentación terminal a partir de la pendiente de la línea. Repita el experimento en las mismas condiciones con la misma esfera al menos tres veces. A continuación, repita los pasos para esferas de diferentes diámetros.Utilice los datos recopilados para graficar las velocidades de sedimentación frente al diámetro de la esfera, como en este ejemplo, donde las barras de error indican la variabilidad en las tres mediciones para cada esfera. Observe que la velocidad de sedimentación aumenta con el parámetro del diámetro de la esfera. Para esta medición, construya una celda de plexiglás liso con paredes que sean perfectamente paralelas entre sí y puertos de acceso en la parte superior e inferior.Esta celda tiene un espacio de ocho milímetros entre las paredes; la relación entre el espacio y la longitud horizontal debe ser pequeña. Selle uno de los puertos de acceso y llene la celda con fluido viscoelástico. Registre la temperatura ambiente y la temperatura del fluido utilizando un termómetro de laboratorio, con la cámara de alta resolución lista para grabar, y coloque la celda de lado.Suelte suavemente una perla de vidrio en la celda a través del puerto y selle el puerto con un tapón de goma. Deje que la esfera se asiente y alcance el centro de la celda. Gire la celda para que quede en posición vertical y la esfera pueda asentarse.Coloque un metro. Sostenga a lo largo del registro la esfera de movimiento utilizando una cámara de video de alta resolución. Utilice el programa de análisis de imágenes para determinar la velocidad de sedimentación como antes.Para caracterizar el fluido, utilice un reómetro para medir su viscosidad en función de la velocidad de corte. Primero, asegúrese de que la temperatura del recipiente sea la misma que la temperatura medida durante el experimento. Luego, varíe la velocidad de corte desde 0,1 por segundo hasta 800 por segundo.Realice al menos 10 mediciones por década para el fluido y las esferas en los experimentos de sedimentación. Calcule la velocidad de corte promediada en la superficie de la partícula definida aquí. V es la velocidad de sedimentación y DP es el diámetro de la esfera.A continuación, defina una curva de ley de potencia para la viscosidad en función de la velocidad de corte. Con K siendo el índice de consistencia al flujo y N el índice de comportamiento de flujo. Ajuste esta curva a la gráfica de viscosidad frente a velocidad de corte para valores cercanos a la velocidad de corte calculada.Continúe con la caracterización realizando mediciones dinámicas oscilatorias de cizalladura en el rango de frecuencias de 0,1 rad por segundo a 100 rad por segundo.Mida el módulo elástico y el módulo viscoso en un mínimo de 10 puntos por década, luego ajuste la relación del módulo I a un modelo de Maxwell para determinar el tiempo de relajación del fluido. Comience a investigar la influencia de la elasticidad del fluido hallando la viscosidad de sedimentación en un fluido inelástico no confinado. Para ello, utilice K y n provenientes de los estudios de caracterización, la densidad del fluido y el número de Reynolds.Para una esfera que cae en un fluido de ley de potencia, continúe calculando la relación de velocidades definida como la velocidad de sedimentación experimental en un fluido ilimitado dividida por la velocidad de sedimentación basada en la viscosidad de ley de potencia. Utilizando los valores de k y n, grafique la relación de velocidades en función del diámetro de la esfera para diferentes fluidos. En este caso, las esferas más pequeñas experimentan una reducción de arrastre y las esferas más grandes la experimentan.Un aumento de arrastre determina el factor de pared para una esfera de diámetro dado al dividir la velocidad de sedimentación en presencia de paredes por la velocidad de sedimentación en el fluido ilimitado. Para un fluido dado, el gráfico muestra los factores de pared en función de la relación R entre el diámetro de la esfera y la separación a la pared, como se indica aquí. Estos datos muestran que los factores de pared disminuyen al aumentar el valor de R. Esto sugiere que los efectos de retardo por pared aumentan cuando los diámetros de las esferas se vuelven comparables a la separación entre paredes. Observe que el factor de pared no es único para un valor de R, a diferencia de los fluidos newtonianos, y depende del espaciado entre paredes. Al llevar a cabo este procedimiento, es importante recordar que la radiología del fluido es una función fuerte de la temperatura. La temperatura a la cual se realiza el experimento debe registrarse con precisión, y la ología del fluido debe medirse a la misma temperatura.Es muy importante que el investigador compruebe la exactitud y la repetibilidad de las mediciones realizando estos experimentos en algunos sistemas modelo, como la sedimentación de partículas en un fluido ilimitado en soluciones como la glicerina, cuyo comportamiento es bien conocido. También es importante repetir estas mediciones tres o cuatro veces para poder tener una idea de cuál es la repetibilidad y la precisión de las mediciones.

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