Eksperymentalny pomiar prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i ograniczonych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych rozrzedzających ścinanie

Ogólnym celem tej procedury jest pomiar końcowych prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i związanych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych o różnym stopniu podatności na uszkodzenia. Osiąga się to poprzez przygotowanie płynów lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych o różnych stężeniach w celu uzyskania szerokiego zakresu rzeczywistych właściwości logicznych. Drugim krokiem jest pomiar prędkości osiadania cząstek w nieograniczonych płynach w zlewkach o średnicy znacznie większej niż cząstka w szerokim zakresie właściwości radiologicznych płynu.

Następnie mierzy się prędkość osiadania cząstek w obecności równoległych ścianek w równoległej płytce eksperymentalnej wykonanej z pleksi. Ostatnim krokiem jest pomiar właściwości radiologicznych płynów. Za pomocą ter właściwości są skorelowane z prędkościami osiadania cząstek.

Ostatecznie eksperyment pomaga w pomiarze prędkości osiadania w nieograniczonych i związanych lepkosprężystych płynach powierzchniowo czynnych w funkcji ich rzeczywistych właściwości logicznych. Dane te mogą stanowić podstawę do ilościowego określenia wpływu elastyczności płynu na prędkości osiadania. Wizualna demonstracja tej metody jest niezbędna, aby zapewnić, że inne laboratoria mogą odtworzyć to, co demonstrujemy w naszych eksperymentach.

Niezwykle ważne jest uzyskanie dobrej dokładności tych pomiarów w wielu praktycznych zastosowaniach, takich jak szczelinowanie hydrauliczne, produkcja w przemyśle farmaceutycznym, przetwarzanie półprzewodników i tak dalej. Dokładne wyniki eksperymentalne dla osiadania cząstek i płynów lepkosprężystych mogą dodatkowo stanowić podstawę do walidacji symulacji numerycznych, które obliczają wpływ elastyczności na opór cząstek. W pierwszym kroku należy przygotować dwuskładnikowe optycznie przezroczyste płyny lepkosprężyste, które zostaną użyte w tym eksperymencie.

Jednym ze składników jest oniczny środek powierzchniowo czynny, sulfonian ksylenu sodu. Drugim składnikiem jest oniczny środek powierzchniowo czynny, NNN trimetylo-one Okta de ammon chloride. Użyj wody destylowanej, aby zmienić środek powierzchniowo czynny, stężenia i zakres lepkości.

Rozpocznij od dodania onicznego środka powierzchniowo czynnego do wymaganej ilości wody destylowanej. Po wymieszaniu dodaj kationowy środek powierzchniowo czynny do tej mieszaniny i mieszaj przez dodatkowe dwie do trzech minut. Po przygotowaniu mieszaniny pozostaw ją na odpoczynek przez dwie do sześciu godzin, aby uwolnić pęcherzyki powietrza do pomiaru, uzyskaj szklane kulki o średnicach od jednego do pięciu milimetrów.

Użyj mikroskopu o wysokiej rozdzielczości, aby zmierzyć średnice kulek i upewnij się, że są gładkie i prawie idealne. Aby zminimalizować wpływ ścian ograniczających na prędkości osiadania kulek. Umieść lepkosprężysty płyn w szklanym pojemniku o średnicy co najmniej 25 razy większej niż średnica kulek, które mają być użyte.

Zapisz temperaturę w pomieszczeniu i temperaturę płynu za pomocą termometru laboratoryjnego, zamontuj miernik wzdłuż boku pojemnika. Użyj kamery o wysokiej rozdzielczości zamontowanej na statywie, aby zarejestrować ruch cząstki w płynie. Delikatnie zanurz szklaną kulę w płynie i uwolnij ją, gdy opadnie.

Nagraj proces po zakończeniu nagrywania. Użyj programu do analizy obrazu, aby śledzić położenie kuli w różnych momentach. Wykreśl pionowe położenie kuli w funkcji czasu.

Następnie oblicz prędkość osiadania terminala na podstawie nachylenia linii. Powtórz eksperyment w tych samych warunkach z tą samą kulą co najmniej trzy razy. Następnie powtórz kroki dla kul o różnych średnicach.

Zebrane dane można wykorzystać do wykreślenia prędkości osiadania w funkcji średnicy kuli, ponieważ w tym przykładzie słupki błędów sugerują zmienność trzech pomiarów dla każdej sfery. Należy zauważyć, że prędkość osiadania wzrasta wraz z parametrem średnicy kuli. Do tego pomiaru zbuduj komórkę z gładkiej pleksi o ściankach idealnie równoległych do siebie i portach dostępowych na górze i na dole.

Ta komórka ma odstęp ośmiu milimetrów między ścianami, stosunek szczeliny do długości poziomej powinien być niewielki. Uszczelnij jeden z portów dostępowych i napełnij komórkę płynem lepkosprężystym. Zapisz temperaturę w pomieszczeniu i temperaturę płynu za pomocą termometru laboratoryjnego z kamerą o wysokiej rozdzielczości gotową do nagrywania, umieść ogniwo na boku.

Delikatnie wypuść szklaną koralik w komórce przez port i uszczelnij port gumowym korkiem. Pozwól, aby kula osiadła i dotarła do środka komórki. Obróć komórkę tak, aby była pionowa, a kula mogła się osiąść.

Umieść miernik. Trzymaj się wzdłuż nagrywania sfery ruchu za pomocą kamery wideo o wysokiej rozdzielczości. Użyj programu do analizy obrazu, aby określić prędkość osiadania, tak jak poprzednio.

Aby scharakteryzować płyn, użyj TER do pomiaru jego lepkości w funkcji czystej szybkości. Najpierw upewnij się, że temperatura kubka jest taka sama, jak temperatura zmierzona podczas eksperymentu. Następnie zmień samą szybkość od 0,1 na sekundę do 800 na sekundę.

Wykonaj co najmniej 10 pomiarów na dekadę dla płynu i kul w eksperymentach osadowych. Oblicz zdefiniowaną tutaj uśrednioną szybkość ścinania cząstek powierzchniowych. V to prędkość osiadania, a DP to średnica kuli.

Następnie zdefiniuj krzywą blokady mocy w szybkości ścinania dla lepkości. Gdzie K jest indeksem spójności przepływu, a N jest indeksem zachowania przepływu. Dopasuj tę krzywą do wykresu lepkości w funkcji szybkości ścinania, aby uzyskać wartości zbliżone do obliczonej szybkości ścinania.

Kontynuuj charakterystykę, wykonując oscylację dynamiczną. Czyste pomiary w zakresie częstotliwości. Od 0,1 rada na sekundę do 100 radów na sekundę.

Zmierz moduł sprężystości i moduł lepkości w co najmniej 10 punktach na dekadę, a następnie dopasuj stosunek mod I do modelu Maxwella, aby określić czas relaksacji płynu. Rozpocznij badanie wpływu elastyczności płynu od znalezienia lepkości osiadającej w nieograniczonym płynie nieelastycznym. Zrób to, używając K i n z badań charakterystyki, gęstości płynu i liczby Reynoldsa.

Dla kuli spadającej w płynie prawa mocy kontynuuj obliczanie stosunku prędkości zdefiniowanego jako eksperymentalna prędkość osiadania w nieograniczonym płynie nad prędkością osiadania w oparciu o lepkość prawa potęgowego. Korzystając z wartości k i n, wykreśl stosunek prędkości w funkcji średnicy kuli dla różnych płynów. W tym przypadku mniejsze kule doświadczają zmniejszenia oporu, a większe sfery.

Zwiększenie oporu określa współczynnik ścianki dla kuli o danej średnicy, dzieląc prędkość osiadania w obecności ścian przez prędkość osiadania w nieograniczonym płynie. Dla danego wykresu płynów współczynniki ścian są funkcją stosunku średnicy kuli do odstępów między ścianami R, jak pokazano poniżej. Dane te pokazują, że współczynniki ścian zmniejszają się wraz ze wzrostem wartości R. Sugeruje to, że efekty opóźnienia ścian nasilają się, gdy średnice kul stają się porównywalne z odstępami między ścianami.

Zauważ, że współczynnik ścian nie jest unikalny przy wartości R, w przeciwieństwie do płynów Newtona i zależy od odstępów między ścianami. Podejmując się tej procedury, należy pamiętać, że radiologia płynów jest silną funkcją temperatury. Temperatura, w której przeprowadzany jest eksperyment, powinna być dokładnie zarejestrowana, a technologia płynów powinna być mierzona w tej samej temperaturze.

Bardzo ważne jest, aby eksperymentator sprawdził dokładność i powtarzalność pomiarów, wykonując te eksperymenty na niektórych układach modelowych, takich jak osadzanie się cząstek w nieograniczonym płynie w roztworach takich jak glicerol, które są dobrze poznane. Ważne jest również, aby powtórzyć te pomiary trzy lub cztery razy, aby zorientować się, jaka jest powtarzalność pomiarów i precyzja pomiarów.