In order to investigate systematically the steady shear flow properties of aqueous po1y(ethylene oxide) (PEO) solutions having various molecular weights and concentrations, the steady flow viscosity has been measured with a Rheometrics Fluids Spectrometer (RFS II) over a wide range of shear rates. The effects of shear rate, concentration, and molecular weight on the steady shear flow properties were reported in detail from the experimentally measured data, and then the results were interpreted using the concept of a material characteristic time. In addition, some flow models describing the non-Newtonian behavior (shear-thinning characteristics) of polymeric liquids were employed to make a quantitative evaluation of the steady flow behavior, and the applicability of these models was examined by calculating the various material parameters. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) At low shear rates, aqueous PEO solutions show a Newtonian viscous behavior which is independent of shear rate. At shear rate region higher than a critical shear rate, however, they exhibit a shear-thinning behavior, demonstrating a decrease in steady flow viscosity with increasing shear rate. (2) As an increase in concentration and/or molecular weight, the zero-shear viscosity is increased while the Newtonian viscous region becomes narrower. Moreover, the critical shear rate at which the transition from the Newtonian to shear-thinning behavior occurs is decreased, and the shear-thinning nature becomes more remarkable. (3) Aqueous PEO solutions show a Newtonian viscous behavior at shear rate range lower than the inverse value of a characteristic time $1/{\lambda}_E$, while they exhibit a shear-thinning behavior at shear rate range higher than $1/{\lambda}_E$. For aqueous PEO solutions having a broad molecular weight distribution, the inverse value of a characteristic time is not quantitatively equivalent to the critical shear rate, but the power-law relationship holds between the two quantities. (4) The Cross, Carreau, and Carreau-Yasuda models are all applicable to describe the steady flow behavior of aqueous PEO solutions. Among these models, the Carreau-Yasuda model has the best validity.
The droplet ejection behavior from drop-on-demand printhead are investigated numerically for Newtonian and shear-thinning fluid. The numerical simulation is performed using a volume-of-fluid model. In this study, we compare the printable range in terms of Z number and pinch-off time for Newtonian and shear-thinning fluids. The printability range are found to be 1.08 $$\leq_-$$ Z $$\leq_-$$ 12.9 for Newtonian fluid and 0.8 $$\leq_-$$ Z $$\leq_-$$ 12.9 for shear-thinning fluid. However, air entrainment is observed during merging of primary and satellite droplet within the printability range. The pinch-off time of the shear-thinning fluid is apparently shorter compared to the corresponding Newtonian fluid due to shear-thinning effects and the differences in the pinch-off time is enlarged significantly when the capillary number is larger than 0.5.
In the present study, spread-recoil behavior of a drop of shear-thinning liquid (xanthan solution) on a dry wall (polished stainless-steel plate) was examined and compared with that of Newtonian liquid (glycerin solution). Nine different kinds of xanthan and glycerin solutions were tested, including three pairs of xanthan and glycerin solutions, each having the same viscosity in low shear rate region ($10^{-2}-10^0\;l/s$). The drop behavior was visualized and recorded using a CCD camera. The maximum diameter and the spreading velocity of the xanthan drops turned out to be significantly larger and the time to reach their final shape was much shorter compared to the cases with the glycerin solutions, due to the smaller viscous dissipation resulted from lower viscosity in the higher shear rate region (>$10^0\;l/s$). As a result, the maximum diameters were measured to be larger than the predicted values based on the model proposed for Newtonian liquids, and the deviation was more pronounced with the solution with the larger viscosity variation. Consequently, viscosity variation with the shear rate was found to be a dominant factor governing the spread-recoil behavior of shear-thinning drops.
The rheological and penetration characteristics of sodium alginate and xanthan gum aqueous solutions were analyzed for the development of biopolymer-based injection materials. The results of viscosity measurements for the rheological characteristics analysis show that all aqueous biopolymer solutions exhibit a tendency for shear-thinning, i.e., the apparent viscosity decreases as the shear rate increases. In addition, a regression analysis using several models (Power-law, Casson, Sisko, and Cross) was applied to the shear-thinning fluid analysis results, the highest accuracy was determined by applying the power-law model. The micromodel experiment for the penetration characteristics analysis determined that all biopolymer aqueous solutions show higher pore saturation than water, and that pore saturation tends to increase as the flow rate and concentration increases. When comparing the rheological and penetration characteristics of the biopolymer aqueous solution used in this study, the xanthan gum aqueous solution showed a fully developed shear-thinning tendency, unlike the sodium alginate aqueous solution. This tendency is considered to have the advantage of enhancement injectability and pore saturation.
본 연구에서는 Rheometrics Fluids Spectrometer(RFS II)를 사용하여 세 종류의 상용 반고형 식품(마요네즈, 토마토 케찹, 와사비)의 정상유동특성 및 소진폭 전단변형하에서의 동적 점탄성을 광범위한 전단속도와 각주파수 영역에서 측정하였다. 이들 측정결과로부터 정상유동특성의 전단속도 의존성 및 동적 점탄성의 각주파수 의존성을 보고하였다. 그리고 항복응력의 항을 갖는 몇 가지 점소성 유동모델을 사용하여 정상유동특성을 정량적으로 평가하고 이들 모델의 적용성을 비교.검증하였다. 나아가서 수정된 형태의 지수법칙 관계식을 도입하여 정상유동특성(비선형 거동)과 동적 점탄성(선형 거동)간의 상관관계에 대해 검토하였다. 이상의 연구를 통해 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 반고형 식품류는 상당한 크기의 항복응력을 갖는 점소성 물질로서 전단속도가 증가할수록 정상류점도가 급격히 감소하는 shear-thinning 거동을 나타낸다. (2) Herschel-Bulkley 모델, Mizrahi-Berk 모델 및 Heinz-Casson 모델은 반고형 식품류의 정상유동거동을 잘 기술할 수 있다. 이들 중에서도 Heinz-Casson 모델이 가장 우수한 적용성을 갖는다 (3) 반고형 식품류는 임계 전단속도를 경계로 shear-thinning 특성이 변화한다. 즉 낮은 전단속도에 비해 높은 전단속도 영역에서 분산입자 응집체의 구조파괴가 더욱 활발하게 진행되어 보다 현저한 shear-thinning 특성을 나타낸다. (4) 저장 탄성률 및 손실탄성률은 양자 모두 각주파수가 증가할수록 점차로 증가하나 각주파수 의존성은 그다지 크지 않다. 또한 광범위한 각주파수 영역에서 탄성적 성질이 점성적 성질에 비해 보다 우세하게 나타난다. (5) 정상류점도, 동적점도 및 복소점도는 모두 power-law 모델의 거동을 잘 만족한다. 또한 정상유동특성과 동적 점탄성간의 상관관계는 수정된 형태의 지수법칙 관계식에 의해 잘 기술될 수 있다.
The steady shear flow properties of six kinds of commercial toothpastes were measured using a concentric cylinder type rheometer. In this paper, the shear rate and temperature dependencies of their flow behavior were investigated and the validity of the Casson and Herschel-Bulkley models was examined. Further, the flow properties over a wide temperature range were quantitatively evaluated by calculating the various material parameters. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) Toothpastes are plastic fluids with a yield stress and their flow behavior shows shear-thinning characteristics. (2) With increasing temperature, the degree of shear-thinning becomes weaker and the Newtonian flow behavior occurs at a lower shear rate range. (3) The Herschel-Bulkley model is more effective than the Casson model in predicting their flow behavior. (4) As the temperature increases, the yield stress, plastic viscosity and consistency index become smaller, on the contrary, the flow behavior index becomes larger.
Using a concentric cylinder type, rheometer. the steady shear flow properties of vaseline were measured over the temperature range of 20~70${\circ}$C. In this paper, the shea rate and temperature dependencies of its flow behavior were investigated and the validity of some flow models was examined. In addition, the flow characteristics over a wide temperature range were quantitatively evaluated by calculating the various material parameters. Main findings obtained from this study can be summarized as follows: (1) At relatively lower temperature range, vaseline is a plastic fluid with a yield stress and its flow behavior shows shear-thinning characteristics. (2) As the temperature increases, the value of a yield stress and the degree of shear-thinning become smaller, consequently, the Newtonian flow behavior occurs at a lower shear rate range. (3) At temperature range lower than 45${\circ}$C, the flow behavior shows much stronger temperature dependence, and a larger activation energy is needed for flow. (4) The Herschel-Bulkley model is the most effective one g$^3$ to predict the flow behavior of vaseline having a yield stress. The validity of the Bingham and Casson models becomes more available with increasing temperature. The flow behavior of vaseline at temperature range higher than 45${\circ}$C can be perfectly described by the Newton model.
The role of viscosity index improver's(Ⅶ) additives for modem engine lubrication is complex. Under the condition of atmosphere or low shear rate, the characteristics of Ⅶ added lubricant is verified and quoted frequently for mathematical model of lubricant behavior. However, recent research shows that added lubricant has the characteristics of shear thinning at high shear rate condition although it performs well enough over the whole range of working temperature. At high shear rate, they show significant decrease of apparent viscosity irrespective of temperature. Many experimental researches verify that Ⅶ added lubricant shows boundary film layer formation on the solid surface as well as shear thinning effect by its polymeric molecular characteristics. The intend of our research is to verify the effects of Ⅶ from the viewpoint of continuum mechanics, because conventional Reynolds'equation with only pressure-viscosity relation cannot fully predict the lubricant behavior under the Ⅶ added condition. In these aspects, Reynolds'equation of Newtonian fluid model lacks the reflection of real fluid behavior and there is no way to explain the non-linear characteristics of Ⅶ added lubricant. In this research, we mathematically modeled the Ⅶ added lubricant behaviors which are the characteristics of non-Newtonian fluid behavior at high shear rate and boundary film formation on the solid surface. The consideration of elastic deformation in the contact region is also included in our computation and finally the converged film pressure and the film thickness with elastic deformation are obtained. The results are compared with those of Newtonian fluid model.
본 연구는 열교환기의 효율적인 설계를 위하여 열교환기 내의 삼각형 단면 덕트의 비뉴톤 유체의 압력강하 및 대류 열전달률 수치해석적으로 수행하였다. 비뉴톤 유체의 구성방정식은 기존의 비뉴톤 유체 멱법칙을 보완한 수정 멱법칙 모델을 채택하였다. 덕트 내의 압력강하를 의미하는 마찰계수와 수정 레이놀즈 수의 곱은 기존 연구의 문헌치와 비교할 때 뉴톤 유체 영역과 비뉴톤 멱법칙 영역에서 각각 0.13% 및 2.85% 내에서 일치함을 보였고 비뉴톤 수정멱법칙 유체 모델의 형태를 띠는 Shear-Thinning 유체를 열교환기 내의 삼각형 단면 덕트 내에서 사용하면 뉴톤 유체보다 62%의 압력강하를 감소시켰고 12%의 대류 열전달 향상을 발생시킬 수 있었다.
고분자 용융 같은 물질의 유변학적인 성질은 전단 흐름에서 복잡한 비 뉴톤 유동 현상을 보인다. 이들 유동성질은 유동단위와 유동부분 사이의 상호작용의 특성에 의하여 결정된다. poly(vinyl alcohol) hydrogel의 비 뉴톤유동 곡선을 cone-plate 레오메타로 여러 온도와 여러 농도 조건에서 얻었다. PVA hydrogel의 유동 곡선을 비 뉴톤 유동식에 적용시켜 유동 파라메타를 얻었다. 유동현상은 전단 속도가 증가함에 따라 전단박화의 틱소트로피 현상을 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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