Medição experimental da velocidade de assentamento de partículas esféricas em fluidos viscosticos não confinados e confinados

O objetivo geral deste procedimento é medir as velocidades de sedimentação terminal de partículas esféricas em fluidos viscoelásticos à base de surfactantes ilimitados e limitados de lógica variável. Isso é feito preparando fluidos viscoelásticos à base de surfactante de diferentes concentrações para obter uma ampla gama de propriedades lógicas reais. O segundo passo é medir as velocidades de sedimentação de partículas em fluidos ilimitados em béqueres de diâmetro, muito maiores do que a partícula em uma ampla gama de propriedades radiológicas de fluidos.

Em seguida, a velocidade de sedimentação das partículas é medida na presença de paredes paralelas em uma célula experimental de placa paralela feita de plexiglass. A etapa final é medir as propriedades radiológicas dos fluidos. Usando um ter, as propriedades são correlacionadas com as velocidades de sedimentação das partículas.

Em última análise, o experimento ajuda a medir as velocidades de sedimentação em fluidos surfactantes viscoelásticos ilimitados e limitados em função de suas propriedades lógicas reais. Os dados podem ser a base para quantificar a influência da elasticidade do fluido nas velocidades de sedimentação. A demonstração visual desse método é essencial para garantir que outros laboratórios possam reproduzir o que estamos demonstrando em nossos experimentos.

É extremamente importante obter uma boa precisão nessas medições para muitas aplicações práticas, como fraturamento hidráulico, fabricação na indústria farmacêutica, processamento de semicondutores e assim por diante. Resultados experimentais precisos para sedimentação de partículas e fluidos viscoelásticos podem formar a base para a validação de simulações numéricas que calculam o efeito da elasticidade no arrasto nas partículas. Como primeiro passo, prepare os fluidos viscoelásticos opticamente transparentes de dois componentes que serão usados neste experimento.

Um componente é um surfactante ônico, xileno sulfonato de sódio. O outro componente é um surfactante ônico, NNN trimetil um Okta de cloreto de amônio. Use água destilada para variar o surfactante, as concentrações e abranger uma variedade de viscosidades.

Comece adicionando o surfactante onic à quantidade necessária de água destilada. Após a mistura, adicione o surfactante catiônico a esta mistura e misture por mais dois a três minutos. Uma vez preparada a mistura, deixe-a descansar por duas a seis horas para liberar bolhas de ar para a medição, obtenha esferas de vidro com diâmetros que variam de um a cinco milímetros.

Use um microscópio de alta resolução para medir os diâmetros das esferas e garantir que elas sejam lisas e quase perfeitas. Para minimizar o efeito das paredes confinantes nas velocidades de sedimentação dos grânulos. Depositar o líquido viscoelástico num recipiente de vidro com um diâmetro de pelo menos 25 vezes o diâmetro das esferas a utilizar.

Registre a temperatura ambiente e a temperatura do fluido com um termômetro de laboratório, monte um medidor ao longo da lateral do recipiente. Use uma câmera de alta resolução montada em um tripé para registrar o movimento da partícula no fluido. Mergulhe suavemente uma esfera de vidro no líquido e solte-a à medida que assenta.

Grave o processo assim que a gravação for concluída. Use um programa de análise de imagem para rastrear a posição da esfera em diferentes momentos. Plote a posição vertical da esfera em função do tempo.

Em seguida, calcule a velocidade de estabilização do terminal a partir da inclinação da linha. Repetir a experiência nas mesmas condições com a mesma esfera pelo menos três vezes. Em seguida, repita as etapas para esferas de diâmetros diferentes.

Use os dados coletados para traçar as velocidades de estabilização versus o diâmetro da esfera, como neste exemplo, as barras de erro sugerem a variabilidade nas três medições para cada esfera. Observe que a velocidade de estabilização aumenta com o parâmetro de diâmetro da esfera. Para esta medição, construa uma célula de plexiglass liso com paredes perfeitamente paralelas entre si e portas de acesso na parte superior e inferior.

Esta célula tem uma folga de oito milímetros entre as paredes, a relação entre a folga e o comprimento horizontal deve ser pequena. Sele uma das portas de acesso e encha a célula com fluido viscoelástico. Registre a temperatura ambiente e a temperatura do fluido usando um termômetro de laboratório com a câmera de alta resolução pronta para gravar, coloque a célula de lado.

Solte suavemente uma esfera de vidro na célula através da porta e sele a porta com uma rolha de borracha. Deixe a esfera assentar e chegar ao meio da célula. Gire a célula para que fique na vertical e a esfera possa se acomodar.

Coloque um medidor. Cole ao longo do registro da esfera de movimento usando a câmera de vídeo de alta resolução. Use o programa de análise de imagem para determinar a velocidade de estabilização como antes.

Para caracterizar o fluido, use um TER para medir sua viscosidade em função da taxa pura. Primeiro, certifique-se de que a temperatura do copo seja igual à temperatura medida durante o experimento. Em seguida, varie a taxa absoluta de 0,1 por segundo a 800 por segundo.

Faça pelo menos 10 medições por década para o fluido e as esferas nos experimentos de sedimentação. Calcule a taxa média de cisalhamento de partículas da superfície definida aqui. V é a velocidade de estabilização e DP é o diâmetro da esfera.

Em seguida, defina uma curva de bloqueio de energia na taxa de cisalhamento para a viscosidade. Com K sendo o índice de consistência do fluxo e N sendo o índice de comportamento do fluxo. Ajuste essa curva ao gráfico de viscosidade versus taxa de cisalhamento para valores próximos à taxa de cisalhamento calculada.

Continue com a caracterização realizando oscilação dinâmica. Medições puras na faixa de frequências. 0,1 rad por segundo a 100 rad por segundo.

Meça o módulo de elasticidade e o módulo viscoso em 10 pontos por década no mínimo e, em seguida, ajuste a proporção do mod I para um modelo de Maxwell para determinar o tempo de relaxamento do fluido. Comece a investigar a influência da elasticidade do fluido encontrando a viscosidade de sedimentação em um fluido inelástico não confinado. Faça isso usando K e n dos estudos de caracterização, a densidade do fluido e o número de Reynolds.

Para uma esfera que cai em um fluido da lei de potência, continue calculando a razão de velocidade definida como a velocidade de estabilização experimental em um fluido ilimitado sobre a velocidade de estabilização com base na viscosidade da lei de potência. Usando os valores k e n, plote a razão de velocidade em função do diâmetro da esfera para diferentes fluidos. Nesse caso, as esferas menores experimentam uma redução de arrasto e as esferas maiores experimentam.

Um aprimoramento de arrasto determina o fator de parede para uma esfera de determinado diâmetro, dividindo a velocidade de sedimentação na presença de paredes pela velocidade de sedimentação no fluido ilimitado. Para um determinado gráfico de fluido, a parede é fatorada em função do diâmetro da esfera para a relação de espaçamento entre parede R, conforme mostrado aqui. Esses dados mostram que os fatores de parede diminuem com o aumento do valor de R. Isso sugere que os efeitos de retardo da parede aumentam à medida que os diâmetros das esferas se tornam comparáveis ao espaçamento da parede.

Observe que o fator de parede não é único em um valor de R, ao contrário dos fluidos newtonianos, e depende do espaçamento da parede. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que a radiologia de fluidos é uma forte função da temperatura. A temperatura na qual o experimento é realizado deve ser registrada com precisão e a fluidologia deve ser medida na mesma temperatura.

É muito importante para o experimentalista verificar a precisão e a repetibilidade das medições fazendo esses experimentos em alguns sistemas modelo, como o assentamento de partículas em um fluido ilimitado em soluções como o glicerol, que são bem compreendidas. Também é importante repetir essas medições três ou quatro vezes para que você possa ter uma ideia de qual é a repetibilidade das medições e a precisão das medições.