Mesure expérimentale de la vitesse de décantation des particules sphériques dans des fluides viscoélastiques d’amincissement à base de surfactants non confinés et confinés

L’objectif général de cette procédure est de mesurer les vitesses de sédimentation terminales des particules sphériques dans des fluides viscoélastiques à base de tensioactifs non liés et liés de différentes ologies. Ceci est accompli en préparant des fluides viscoélastiques à base de tensioactifs de différentes concentrations pour obtenir une large gamme de propriétés logiques réelles. La deuxième étape consiste à mesurer les vitesses de sédimentation des particules dans des fluides non liés dans des béchers de diamètre, beaucoup plus grand que la particule sur une large gamme de propriétés radiologiques des fluides.

Ensuite, la vitesse de sédimentation des particules est mesurée en présence de parois parallèles dans une cellule expérimentale à plaques parallèles en plexiglas. La dernière étape consiste à mesurer les propriétés radiologiques des fluides. À l’aide d’un ter, les propriétés sont corrélées avec les vitesses de sédimentation des particules.

En fin de compte, l’expérience aide à mesurer les vitesses de sédimentation dans les fluides tensioactifs viscoélastiques non liés et liés en fonction de leurs propriétés logiques réelles. Les données peuvent servir de base pour quantifier l’influence de l’élasticité des fluides sur les vitesses de sédimentation. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle pour s’assurer que d’autres laboratoires peuvent reproduire ce que nous démontrons dans nos expériences.

Il est extrêmement important d’obtenir une bonne précision dans ces mesures pour de nombreuses applications pratiques telles que la fracturation hydraulique, la fabrication dans l’industrie pharmaceutique, le traitement des semi-conducteurs, etc. Des résultats expérimentaux précis pour la sédimentation des particules et les fluides viscoélastiques peuvent constituer la base de la validation des simulations numériques qui calculent l’effet de l’élasticité sur la traînée sur les particules. Dans un premier temps, préparez les fluides viscoélastiques optiquement transparents à deux composants qui seront utilisés dans cette expérience.

L’un des composants est un tensioactif onique, le xylène sulfonate de sodium. L’autre composant est un tensioactif onique, le NNN triméthyle un chlorure d’ammonium Okta. Utilisez de l’eau distillée pour varier le tensioactif, les concentrations et couvrir une gamme de viscosités.

Commencez par ajouter le tensioactif onique à la quantité requise d’eau distillée. Après avoir mélangé, ajoutez le tensioactif cationique à ce mélange et mélangez pendant deux à trois minutes supplémentaires. Une fois qu’un mélange est préparé, laissez-le reposer pendant deux à six heures pour libérer des bulles d’air pour la mesure, obtenez des sphères de verre d’un diamètre allant de un à cinq millimètres.

Utilisez un microscope à haute résolution pour mesurer les diamètres des sphères et vous assurer qu’elles sont lisses et presque parfaites. Pour minimiser l’effet des parois de confinement sur les vitesses de sédimentation des billes. Déposez le fluide viscoélastique dans un récipient en verre d’un diamètre d’au moins 25 fois le diamètre des sphères à utiliser.

Enregistrez la température ambiante et la température du fluide à l’aide d’un thermomètre de laboratoire, montez une perche sur le côté du récipient. Utilisez une caméra haute résolution montée sur un trépied pour enregistrer le mouvement de la particule dans le fluide. Plongez doucement une sphère de verre dans le liquide et relâchez-la au fur et à mesure qu’elle se dépose.

Enregistrez le processus une fois l’enregistrement terminé. Utilisez un programme d’analyse d’images pour suivre la position de la sphère à différents moments. Tracez la position verticale de la sphère en fonction du temps.

Calculez ensuite la vitesse de sédimentation terminale à partir de la pente de la droite. Répétez l’expérience dans les mêmes conditions avec la même sphère au moins trois fois. Répétez ensuite les étapes pour les sphères de différents diamètres.

Utilisez les données collectées pour tracer les vitesses de sédimentation en fonction du diamètre de la sphère, car dans cet exemple, les barres d’erreur suggèrent la variabilité des trois mesures pour chaque sphère. Notez que la vitesse de sédimentation augmente avec le paramètre de diamètre de la sphère. Pour cette mesure, construisez une cellule en plexiglas lisse avec des parois parfaitement parallèles les unes aux autres et des ports d’accès en haut et en bas.

Cette cellule a un espace de huit millimètres entre les parois, le rapport entre l’espace et la longueur horizontale doit être petit. Scellez l’un des orifices d’accès et remplissez la cellule de liquide viscoélastique. Enregistrez la température ambiante et la température du fluide à l’aide d’un thermomètre de laboratoire avec la caméra haute résolution prête à enregistrer, placez la cellule sur son côté.

Relâchez doucement une bille de verre dans la cellule à travers l’orifice et scellez l’orifice avec un bouchon en caoutchouc. Laissez la sphère se stabiliser et atteindre le milieu de la cellule. Faites pivoter la cellule de manière à ce qu’elle soit verticale et que la sphère puisse se stabiliser.

Placez un compteur. Collez le long de l’enregistrement la sphère de mouvement à l’aide de la caméra vidéo haute résolution. Utilisez le programme d’analyse d’images pour déterminer la vitesse de sédimentation comme précédemment.

Pour caractériser le fluide, utilisez un RET pour mesurer sa viscosité en fonction de la vitesse pure. Tout d’abord, assurez-vous que la température de la tasse est la même que la température mesurée pendant l’expérience. Faites ensuite varier la vitesse pure de 0,1 par seconde à 800 par seconde.

Prendre au moins 10 mesures par décennie pour le fluide et les sphères dans les expériences de décantation. Calculez le taux de cisaillement des particules moyen de surface défini ici. V est la vitesse de sédimentation et DP est le diamètre de la sphère.

Ensuite, définissez une courbe de verrouillage de puissance dans le taux de cisaillement de la viscosité. K étant l’indice de cohérence de l’écoulement et N étant l’indice de comportement de l’écoulement. Ajustez cette courbe au graphique de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour les valeurs proches du taux de cisaillement calculé.

Poursuivez la caractérisation en effectuant une oscillation dynamique. Des mesures pures sur la gamme de fréquences. 0,1 rad par seconde à 100 rad par seconde.

Mesurez le module d’élasticité et le module visqueux à 10 points par décade minimum, puis ajustez le rapport du mod I à un modèle Maxwell pour déterminer le temps de relaxation du fluide. Commencez à étudier l’influence de l’élasticité du fluide en trouvant la viscosité de sédimentation dans un fluide inélastique non confiné. Pour ce faire, utilisez K et n des études de caractérisation, la masse volumique du fluide et le nombre de Reynolds.

Pour une sphère tombant dans un fluide en loi de puissance, on continue en calculant le rapport de vitesse défini comme la vitesse de sédimentation expérimentale dans un fluide non lié sur la vitesse de sédimentation basée sur la viscosité de la loi de puissance. À l’aide des valeurs k et n, tracez le rapport de vitesse en fonction du diamètre de la sphère pour différents fluides. Dans ce cas, les petites sphères subissent une réduction de la traînée et les plus grandes sphères.

Déterminez le facteur de paroi pour une sphère de diamètre donnée en divisant la vitesse de sédimentation en présence de parois par la vitesse de sédimentation dans le fluide non lié. Pour un tracé de fluide donné, les facteurs de paroi sont fonction du rapport d’espacement entre le diamètre de la sphère et celui de la paroi, comme indiqué ici. Ces données montrent que les facteurs de paroi diminuent avec l’augmentation de la valeur de R.Cela suggère que les effets de retard de la paroi augmentent à mesure que les diamètres des sphères deviennent comparables à l’espacement des parois.

Observez que le facteur de paroi n’est pas unique à une valeur de R contrairement aux fluides newtoniens et dépend de l’espacement des parois. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler que la radiologie des fluides est une forte fonction de la température. La température à laquelle l’expérience est réalisée doit être enregistrée avec précision et la fluidologie doit être mesurée à la même température.

Il est très important pour l’expérimentateur de vérifier la précision et la répétabilité des mesures en faisant ces expériences sur certains systèmes modèles tels que la décantation de particules dans un fluide non lié dans des solutions telles que le glycérol qui sont bien comprises. Il est également important de répéter ces mesures trois ou quatre fois afin d’avoir une idée de la répétabilité et de la précision des mesures.