Thesis /

ROMDOC-THESIS-2017-1281

Procedures for the rheological characterization of the nonlinear behavior of complex fluids in shear and squeeze flows

Coblaş, Daniela Georgeta
2012-05-26

Abstract: Thesis Abstract The importance and innovative character of this work is justified by the correlation of the experimental testing procedures with the numerical modelling of the flow processes, technically supporting a new concept in the field of rheology, namely the Computational Rheometry. Thus, in this work, rheometrical experimental procedures are correlated with numerical simulations of the real flows, allowing the analysis of velocity fields and fluid kinematics in the testing gaps, adherence condition influence on flow kinematics and implicitly over the rheological properties measured during the experimental investigations. Numerical investigations of squeeze flow have been performed using commercial code Fluent using rheological parameters of some fluids which have been also investigated experimentally in order to obtain a correlation of the results. In the case of oscillatory squeezing flow the correlation between numerical simulation results with the analytical predictions lead to the determination of a limited validity domain for the analytical expression of squeeze force, depending on film thickness, the oscillatory frequency and the oscillatory amplitude of the imposed displacement profile. Experimental investigations of squeezing motions are performed in oscillatory and constant velocity flows on Newtonian and viscoelastic/complex fluids. Squeezing is not a flow with a simple kinematics (as the shear is), therefore the corresponding formula for the thrust is valid only in thin film approximation, which is not always fullfiled in experiments. The analitic formula corresponding to the normal force, for a given motion of the upper plate is the only available expression for computing the viscosity which does not explicitly contain the expression for the strain rate. One main conclusion of this thesis is the following: squeezing is an experimental technique able to differentiate the rheological behavior of materials (from pure viscous to viscoelastic, from Newtonian to shear thinning/pseudoplastic character) and to emphasis qualitatively the corresponding rheology. Still, it is not the proper procedure to determine qualitative informations about the material functions. Our investigations also showed that the end effects and wall depletion phenomena might have a relevant influence on the results. Equally, the complexity of the study is justified by the correlation of the simple shear tests with the complex squeeze motion, both in simple or dynamic controll of the applied deformation.The thesis includes a consistent study of complex fluids in the field of non-linear viscoelasticity, making the correlation between the testing procedures that use simple shear motions and dynamic shear tests, associating the viscoelastic non-linear behavior with the yield stress of complex fluids included in the category of soft solids. Also surface microstructure influence on the squeeze force is studied, namely the influence of the microstructure on contact angle and aherence/slip properties, at the contact fluid/solid for Newtonian fluids. Abstractul Tezei Importanţa şi caracterul inovator al lucrării prezente este justificată de corelarea procedurilor de testare experimentale cu modelarea numerică a proceselor de curgere, promovând practic un nou concept în domeniul reologiei şi anume Reometria Computaţională. Astfel, în această lucrare procedurile experimentale pentru determinarea comportamentului reologic sunt corelate cu simulări numerice ale proceselor de curgere, ceea ce permite: (i) analiza câmpurilor de viteze şi cinematicii fluidului în domeniul de curgere; (ii) determinarea influenţei condiţiilor de aderenţă asupra cinematicii curgerii (şi implicit a proprietăţilor reologice măsurate pe parcursul investigaţiilor experimentale); (iii) analiza şi cuantificarea influenţei efectelor de capăt. Prin urmare, lucrarea conţine un studiu complex al fenomenului de expulzare prin folosirea simulărilor numerice ale mişcării, atât în regim de viteză constantă cât şi variabilă în timp, analizându-se influenţa efectelor de capăt (a interfeţei lichid-aer) asupra cinematicii şi dinamicii curgerii. În cazul mişcării de expulzare cu viteză constantă s-au folosit două soluţii pentru a descrie curgerea: (i) o aproximaţie cvasi-staţionară a mişcării (care necesită construcţia unei geometrii pentru fiecare grosime a filmului fluid); (ii) o soluţie nestaţionară în care se impune un profil de deplasare peretelui superior al domeniului de curgere (prin folosirea unei discretizări spaţiale deformabile).O bună corelare a fost observată între cele două soluţii numerice folosite atât din punct de vedere cantitativ cât şi calitativ. Datorită timpului de simulare redus, necesar obţinerii rezultatelor folosind aproximaţia cvasi-staţionară, se recomandă folosirea acesteia pentru analiza mişcării de expulzare. Deoarece cinematica mişcării de expulzare nu este una simplă (cum este pentru mişcarea de forfecare), expresia analitică a forţei normale de expulzare este valabilă numai pentru grosimi mici de film, aproximaţia filmelor subţiri, ce nu poate fi îndeplinită întotdeauna în timpul testelor reologice. Cu toate acestea, expresia analitică a forţei normale (pentru o viteză constantă de expulzare) este singura formulă disponibilă momentan pentru determinarea viscozităţii prin teste de expulzare (formulare ce nu include explicit viteza de deformaţie a fluidului). Lucrarea conţine un studiu al fluidelor complexe pe domeniul viscoelasticităţii neliniare, facându-se o corelaţie între procedurile de testare ce folosesc mişcări simple de forfecare şi testele dinamice de forfecare, asociindu-se comportamentul neliniar viscoelastic cu pragul de curgere (yield stress) al fluidelor complexe investigate. De asemenea este studiată influenţa microstructurii suprafeţelor de contact asupra proprietăţilor de aderenţă ale fluidelor newtoniene şi implicit al măsurătorilor reologice efectuate în prezenţa unor astfel de suprafeţe.

Keyword(s): Reologie -- Teză de doctorat ; Mecanica fluidelor -- Teză de doctorat
OPAC: See record in BC-UPB Web OPAC
Full Text: see files

Similar records

 

People who viewed this page also viewed:

(264)  Cercetări privind dezvoltarea de interfeţe utilizator virtuale pentru aplicaţii de teleoperare în robotică - Popa, Stelian - ROMDOC-THESIS-2021-2322 (261)  Optimizarea conceptuală şi operaţională a instalaţiilor chimice multiscop - Voinescu, Sorin - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2003-000000054 (250)  Prelucrarea imaginilor utilizând tehnici fractale - Crişan, Daniela Alexandra - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2005-000013927 (249)  Simularea numerică a echipamentelor hidropneumatice de aviaţie - Dincă, Liviu - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2005-000013939 (248)  Contribuţii la dezvoltarea unui sistem asistat de calculator de evaluare tehnico-economică a proceselor de producţie - Diaconu, Ion - ROMDOC-BC_UPB-THESIS-2004-000001091

 

Rate this document:

Be the first to review this document.

Discuss this document:

Start a discussion about any aspect of this document.