Misurazione sperimentale della velocità di sedimentazione delle particelle sferiche in fluidi viscoelastici a base di tensioattivi non raffinati e confinati

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di misurare le velocità terminali di sedimentazione di particelle sferiche in fluidi viscoelastici a base di tensioattivi illimitati e limitati di varia logia. Ciò si ottiene preparando fluidi viscoelastici a base di tensioattivi di diverse concentrazioni per ottenere un'ampia gamma di proprietà logiche reali. Il secondo passo consiste nel misurare le velocità di sedimentazione delle particelle in fluidi illimitati in becher di diametro, molto più grandi della particella su un'ampia gamma di proprietà radiologiche del fluido.

Successivamente, la velocità di sedimentazione delle particelle viene misurata in presenza di pareti parallele in una cella sperimentale a piastra parallela in plexiglass. Il passaggio finale consiste nel misurare le proprietà radiologiche dei fluidi. Utilizzando un ter, le proprietà sono correlate con le velocità di sedimentazione delle particelle.

In definitiva, l'esperimento aiuta a misurare le velocità di sedimentazione in fluidi tensioattivi viscoelastici illimitati e limitati in funzione delle loro reali proprietà logiche. I dati possono essere la base per quantificare l'influenza dell'elasticità del fluido sulle velocità di sedimentazione. La dimostrazione visiva di questo metodo è essenziale per garantire che altri laboratori possano riprodurre ciò che stiamo dimostrando nei nostri esperimenti.

È estremamente importante ottenere una buona precisione in queste misurazioni per molte applicazioni pratiche come la fratturazione idraulica, la produzione nell'industria farmaceutica, la lavorazione dei semiconduttori e così via. Risultati sperimentali accurati per la sedimentazione delle particelle e i fluidi viscoelastici possono ulteriormente costituire la base per la convalida di simulazioni numeriche che calcolano l'effetto dell'elasticità sulla resistenza sulle particelle. Come primo passo, preparare i due fluidi viscoelastici otticamente trasparenti che verranno utilizzati in questo esperimento.

Un componente è un tensioattivo onico, il sodio xilene solfonato. L'altro componente è un tensioattivo onico, NNN trimetil e Okta de cloruro di ammonio. Utilizzare acqua distillata per variare il tensioattivo, le concentrazioni e coprire una gamma di viscosità.

Iniziare aggiungendo il tensioattivo onico alla quantità richiesta di acqua distillata. Dopo la miscelazione, aggiungere il tensioattivo cationico a questa miscela e mescolare per altri due o tre minuti. Una volta preparata una miscela, lasciarla riposare dalle due alle sei ore per rilasciare bolle d'aria per la misurazione, ottenere sfere di vetro con diametri che vanno da uno a cinque millimetri.

Usa un microscopio ad alta risoluzione per misurare i diametri delle sfere e assicurarti che siano lisce e quasi perfette. Per ridurre al minimo l'effetto delle pareti di confinamento sulle velocità di sedimentazione delle perline. Depositare il fluido viscoelastico in un contenitore di vetro con un diametro almeno 25 volte il diametro delle sfere da utilizzare.

Registrare la temperatura ambiente e la temperatura del fluido con un termometro da laboratorio, montare un bastoncino lungo il lato del contenitore. Utilizzare una fotocamera ad alta risoluzione montata su un treppiede per registrare il movimento della particella nel fluido. Immergere delicatamente una sfera di vetro nel liquido e rilasciarla man mano che si deposita.

Registrare il processo una volta completata la registrazione. Utilizza un programma di analisi delle immagini per tracciare la posizione della sfera in momenti diversi. Traccia la posizione verticale della sfera in funzione del tempo.

Quindi calcolare la velocità di assestamento terminale dalla pendenza della linea. Ripetere l'esperimento nelle stesse condizioni con la stessa sfera almeno tre volte. Quindi ripetere i passaggi per sfere di diverso diametro.

Utilizza i dati raccolti per tracciare le velocità di assestamento rispetto al diametro della sfera, poiché in questo esempio, le barre di errore suggeriscono la variabilità nelle tre misurazioni per ciascuna sfera. Si noti che la velocità di assestamento aumenta con il parametro del diametro della sfera. Per questa misurazione, costruire una cella di plexiglass liscio con pareti perfettamente parallele tra loro e porte di accesso in alto e in basso.

Questa cella ha uno spazio di otto millimetri tra le pareti, il rapporto tra lo spazio e la lunghezza orizzontale dovrebbe essere piccolo. Sigillare una delle porte di accesso e riempire la cella con fluido viscoelastico. Registrare la temperatura ambiente e la temperatura del fluido utilizzando un termometro da laboratorio con la fotocamera ad alta risoluzione pronta per la registrazione, posizionare la cella su un lato.

Rilasciare delicatamente una perla di vetro nella cella attraverso la porta e sigillare la porta con un tappo di gomma. Lascia che la sfera si depositi e raggiunga il centro della cella. Ruota la cella in modo che sia verticale e la sfera possa stabilizzarsi.

Posiziona un contatore. Attacca lungo la registrazione della sfera di movimento utilizzando la videocamera ad alta risoluzione. Utilizzare il programma di analisi delle immagini per determinare la velocità di assestamento come in precedenza.

Per caratterizzare il fluido, utilizzare un TER per misurarne la viscosità in funzione della velocità di risultanza. Innanzitutto, assicurati che la temperatura della tazza sia la stessa della temperatura misurata durante l'esperimento. Quindi varia la velocità pura da 0,1 al secondo a 800 al secondo.

Effettuare almeno 10 misurazioni per decennio per il fluido e le sfere negli esperimenti di sedimentazione. Calcola la velocità di taglio media delle particelle della superficie definita qui. V è la velocità di assestamento e DP è il diametro della sfera.

Quindi, definire una curva di blocco della potenza nella velocità di taglio per la viscosità. Dove K è l'indice di coerenza del flusso e N è l'indice di comportamento del flusso. Adattare questa curva al grafico viscosità rispetto alla velocità di taglio per valori vicini alla velocità di taglio calcolata.

Proseguire con la caratterizzazione eseguendo oscillatorio dinamico. Misure pure nell'intervallo delle frequenze. Da 0,1 rad al secondo a 100 rad al secondo.

Misurare il modulo elastico e il modulo viscoso a un minimo di 10 punti per decennio, quindi adattare il rapporto del mod I a un modello di Maxwell per determinare il tempo di rilassamento del fluido. Inizia a studiare l'influenza dell'elasticità del fluido trovando la viscosità di sedimentazione in un fluido anelastico non confinato. A tale scopo, utilizzare K e n dagli studi di caratterizzazione, la densità del fluido e il numero di Reynolds.

Per una sfera che cade in un fluido con legge di potenza, continuare calcolando il rapporto di velocità definito come la velocità di assestamento sperimentale in un fluido illimitato sulla velocità di sedimentazione basata sulla viscosità della legge di potenza. Utilizzando i valori k e n, traccia il rapporto di velocità in funzione del diametro della sfera per fluidi diversi. In questo caso, le sfere più piccole subiscono una riduzione della resistenza aerodinamica e le sfere più grandi sperimentano.

Un miglioramento della resistenza determina il fattore di parete per una sfera di dato diametro dividendo la velocità di assestamento in presenza di pareti per la velocità di assestamento nel fluido illimitato. Per un dato grafico del fluido, la parete viene scomposta in funzione del rapporto tra diametro della sfera e spaziatura tra le pareti R come mostrato qui. Questi dati mostrano che i fattori di parete diminuiscono con l'aumentare del valore di R. Ciò suggerisce che gli effetti di ritardo della parete aumentano man mano che i diametri delle sfere diventano paragonabili alla spaziatura delle pareti.

Si noti che il fattore di parete non è unico ad un valore di R a differenza dei fluidi newtoniani e dipende dalla spaziatura delle pareti. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che la radiologia dei fluidi è una forte funzione della temperatura. La temperatura alla quale viene eseguito l'esperimento deve essere registrata con precisione e la fluidologia deve essere misurata alla stessa temperatura.

È molto importante per lo sperimentalista verificare l'accuratezza e la ripetibilità delle misure facendo questi esperimenti su alcuni sistemi modello come la sedimentazione di particelle in un fluido non legato in soluzioni come il glicerolo che sono ben comprese. È anche importante ripetere queste misurazioni tre o quattro volte in modo da poter avere un'idea di quale sia la ripetibilità delle misurazioni e la precisione delle misurazioni.