Sınırlanmamış ve Sınırlı Yüzey Aktif Bazlı Kesme Viskoelastik Sıvılarda Küresel Parçacıkların Yerleşme Hızının Deneysel Ölçümü

Sıvılardaki parçacıkların süspansiyonları, farmasötik üretim, atık su arıtımı, uzay itici reenjeksiyonu, yarı iletken işleme ve sıvı deterjan üretimi gibi uygulamalarda karşılaşılmıştır. Petrol endüstrisinde, viskoelastik kırılma sıvıları hidrolik kırıklarda proppantları (tipik olarak kum) taşımak için kullanılır. Proppantların pompalanması durdurulması üzerine kırığı açık tutun ve hidrokarbonların geri akması için iletken bir yol sağlayın.

Parçacıkların yerleştirilmesi, sıvının reolojisi ve yoğunluğu, parçacıkların büyüklüğü, şekli ve yoğunluğu ve sınırlı duvarların etkisi ile yönetilir. Sürünen akış rejiminde bir Newton sıvısına yerleşen küresel bir parçacık için, yerleşme hızı 1851’de Stokes tarafından türetilen Stokes denklemi tarafından verilir. Daha yüksek Reynolds sayılarındaki sürükleme kuvvetini hesaplamak için ifadeler sonraki araştırmacılar tarafından^2-6. Sınırlama duvarları, parçacıklar üzerinde gerilik etkisi uygulayarak yerleşme hızlarını azaltır. Duvar faktörü, F_w, sınırlandırılmamış koşullar altında sınırlanan duvarların varlığında terminal yerleştirme hızının çökeltme hızına oranı olarak tanımlanır. Duvar faktörü, hapsedici duvarların gerilik etkisini ölçendir. Çok çeşitli Reynolds sayıları üzerinde farklı kesit tüplerinde Newton sıvılarına yerleşen küreler için duvar faktörlerini belirlemek için birçok teorik ve deneysel çalışma literatürde^{mevcuttur 7-13}. Sonuç olarak, Newton sıvılarındaki kürelerdeki sürüklenmeyi belirlemek için geniş bir bilgi gövdesi vardır.

Özellikle viskoelastik sıvılar olmak üzere, Yenimyen olmayan sıvılardaki parçacıkların yerleşme hızının belirlenmesine yönelik geçmiş çalışmalar daha az tamamlanmaktadır. Çeşitli sayısal tahminler^14-18 ve deneysel çalışmalar^19-24 inelastik güç-hukuk sıvılarında bir küre üzerindeki sürükleme kuvvetini belirlemek için literatürde mevcuttur. Tripathi ve arkadaşlarının teorik tahminlerini kullanarak. ¹⁵ ve Tripathi ve Chhabra¹⁷, Renaud ve ark. ^1, inelastik güç-hukuk sıvılarındaki sürükleme katsayısını(C_D)hesaplamak için aşağıdaki ifadeleri geliştirdi.

Re_PL<0.1 için (sürünen akış rejimi)

burada X(n) sürükleme düzeltme faktörü^{13 ‘dür.} Re_PL,aşağıdaki gibi tanımlanan bir güç yasası sıvısına düşen bir kürenin Reynolds numarasıdır:

burada f sıvının yoğunluğudur. Sürükleme düzeltme faktörü aşağıdaki denklem¹ile donatılmıştır:

Sürükleme katsayısı tanımı kullanılarak, yerleştirme hızı şu şekilde hesaplanır:

0.1 için<Re_PL<100

burada X, yüzey alanının parçacığın öngörülen alanına oranıdır ve küreler için 4’e eşittir. C_D0, Denklem 1 , C_{D∞ tarafından} verilen Stokes bölgesindeki sürükleme katsayısıdır (Re_PL < 0.1),Newton bölgesindeki sürükleme katsayısının değeridir (Re_PL > 5 x 10²⁾ve 0.44’e eşittir. β, b, k parametreleri şu şekilde ifade edilir:

α_o = 3 ve α, X(n) ile ilgili ortalama kesme hızının düzeltmesidir:

Yerleştirme hızını hesaplamak için boyutsuz grup N_d ²⁵ kullanılır:

N_d, yerleştirme hızından bağımsızdır ve açıkça hesaplanabilir. Bu değer ve Denklem 5, Re_PL’deki sürükleme katsayısı ifadesi kullanılarak yinelemeli olarak çözülebilir. Yerleştirme hızı daha sonra aşağıdakiler kullanılarak hesaplanabilir:

Denklemler 1-9’daki ifadeler 1 ≥ n ≥ 0.4 değerleri için elde edilen teorik tahminlere dayanıyordu. Chhabra^13, yukarıdaki ifadelerden elde edilen tahminleri Shah^{26-27 (n 0.281-0.762} arasında değişen) ve Ford ve ark.’ın deneysel sonuçlarıyla karşılaştırdı. ²⁸ (n 0.06-0.29 arasında değişik). İfadelerin sürükleme katsayılarını doğru tahmin etmek için gösterildiği gösterilmiştir. Bu analizlere dayanarak, yukarıdaki formülasyon, küresel parçacıkların 1 ≥ n ≥ 0,06 için inelastik güç-hukuk sıvılarındaki çökeltme hızını hesaplamak için kullanılabilir. Bu tahmin edilen inelastik güç-hukuk sıvılarındaki yerleşme hızı, sıvı elastikiyetinin yerleşme hızı üzerindeki etkisini belirlemek için güç-hukuk viskoelastik sıvılarındaki deneysel hız ile karşılaştırılır. Ayrıntılı adımlar bir sonraki bölümde belirtilmiştir.

Viskoelastik sıvılardaki parçacıkların yerleşme hızının belirlenmesi de farklı araştırmacılar tarafından değişen gözlemlerle araştırma konusu olmuştur; (i) Sürünen akış rejiminde kesme inceltme efektleri viskoelastik etkileri tamamen gölgede bırakıyor ve yerleşme hızları tamamen viskoz teorilerle mükemmel bir şekilde uyuşmaktadır^29-32, (ii) parçacık deneyimi sürünen akış rejiminde ve dışında bir sürükleme azaltma ve yerleştirme hızları elastikiyet nedeniyle artar^30,33,34, (iii) sıvı esnekliği nedeniyle yerleşme hızı azaltır³⁵. Walters ve Tanner^36, Boger sıvıları (sabit viskozite elastik sıvılar) elastikiyeti için düşük Weissenberg sayılarında sürükleme azalmasına ve ardından daha yüksek Weissenberg sayılarında sürükleme artışına neden olduğunu özetledi. McKinley^37, kürenin ardından gelen uzatma etkilerinin weissenberg sayılarında sürüklenme artışına neden olduğunu vurguladı. Chhabra^13, parçacıkların sınırsız ve sınırlı viskoelastik sıvılara yerleştirilmesine ilişkin önceki çalışmaların kapsamlı bir incelemesinin ardından, teorik gelişmelerde kesme hızına bağımlı viskozitenin gerçekçi bir tanımını sıvı esnekliği ile birleştirmenin zorluğunu vurgulamıştır. Küresel parçacıkların yerleşmesi üzerindeki duvar etkilerinin incelenmesi de son yıllarda bir araştırma alanı olmuştur^38-42. Bununla birlikte, tüm çalışmalar silindirik tüplerdeki küresel parçacıkların yerleştirilmesi üzerine yapılmıştır. Paralel duvarlar arasındaki viskoelastik sıvılara yerleşen küresel parçacıklar için veri mevcut değildir.

Bu çalışma, kürelerin kesme inceltici viskoelastik sıvılara yerleştirilmesini deneysel olarak incelemeye çalışır. Bu deneysel çalışmanın amacı, sıvı elastikiyetinin, kesme inceltme ve duvarların, kesme inceltme viskoelastik sıvılarda küresel parçacıkların yerleşme hızı üzerindeki etkisini anlamaktır. Bu makale, bazı temsili sonuçlarla birlikte bu çalışma için kullanılan deneysel yöntemlere odaklanmıştır. Analizlerle birlikte ayrıntılı sonuçlar daha önceki bir yayında bulunabilir⁴³.