[論文レビュー] Biaxial extensional viscous dissipation in sheets expansion formed by impact of drops of Newtonian and non-Newtonian fluids

Ameur Louhichi, Carole-Ann Charles+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 55被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、液体窒素被膜を有する石英板への滴衝突によって形成される自由に拡張する液体シートにおける二軸引張り粘性散逸を、逆レーゲンフォスト効果を用いてせん断散逸を排除することで調査する。著者らは、非ニュートン流体の高分子流体が、その特徴的な二軸引張り粘性に起因して著しく拡張が促進されることを示し、有効な二軸引張りオーナーズ数でスケーリングした際に、すべてのデータが一つのマスターカーブに一致することを明らかにした。非ニュートン性は、ワイッセンベルク数に依存する引張り粘性によって定量的に説明可能である。

ABSTRACT

<p>We investigate freely expanding liquid sheets made of either simple Newtonian fluids or solutions of high molecular water-soluble polymer chains. A sheet is produced by the impact of a drop on a quartz plate covered with a thin layer of liquid nitrogen that suppresses shear viscous dissipation due to an inverse Leidenfrost effect. The sheet expands radially until reaching a maximum diameter and subsequently recedes. Experiments indicate the presence of two expansion regimes: the capillary regime, where the maximum expansion is controlled by surface tension forces and does not depend on the viscosity, and the viscous regime, where the expansion is reduced with increasing viscosity. In the viscous regime, the sheet expansion for polymeric samples is strongly enhanced as compared to that of Newtonian samples with comparable zero-shear viscosity. We show that data for Newtonian and non-Newtonian fluids collapse on a unique master curve where the maximum expansion factor is plotted against the relevant effective <em>biaxial extensional</em> Ohnesorge number that depends on fluid density, surface tension, and the biaxial extensional viscosity. For Newtonian fluids, this biaxial extensional viscosity is six times the shear viscosity. By contrast, for the non-Newtonian fluids, a characteristic <em>Weissenberg number</em>-dependent biaxial extensional viscosity is identified, which is in quantitative agreement with experimental and theoretical results reported in the literature for biaxial extensional flows of polymeric liquids.</p>

研究の動機と目的

• 自由に拡張する液体シートにおける二軸引張り粘性散逸を、せん断散逸から分離して定量化すること。
• 同一の衝突条件下におけるニュートン流体と非ニュートン流体の拡張ダイナミクスを比較すること。
• 液体種に跨る拡張行動を統一する、二軸引張り粘性に基づくスケーリングフレームワークの構築。
• 高分子量ポリマー溶液におけるひずみ回復性の役割、特に拡張挙動に与える影響を定量化すること。
• 実験データを用いてモデルを検証し、既存の理論的および実験的結果（高分子の引張り流れに関する）と整合性をとること。

提案手法

• 液体窒素の薄い膜で冷却された石英板上での滴衝突実験を実施し、逆レーゲンフォスト効果を発生させ、直接接触とせん断粘性散逸を排除した。
• 高速上部および側面視画像（6700および3200 fps）を用いて、シートの拡張および後退ダイナミクスを記録し、画像解析によりリム径の時間発展を追跡した。
• 流体の密度、表面張力、および二軸引張り粘性を用いて二軸引張りオーナーズ数を構築した。ニュートン流体では、6倍のせん断粘性を用いた。
• 非ニュートン流体に対しては、 rheological データからワイッセンベルク数に依存する二軸引張り粘性を導出し、スケーリングモデルに適用した。
• 最大拡張因子を有効な二軸引張りオーナーズ数に対してプロットすることで、データの収縮を達成し、普遍的なスケーリング行動を明らかにした。
• PEO溶液およびニュートン流体のグリセリン-水混合液の rheological 特性評価により、衝突実験前の粘性および弾性プロファイルを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二軸引張り粘性散逸は、滴衝突後の自由に拡張する液体シートの最大拡張にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ゼロせん断粘性が類似するニュートン流体と比較して、非ニュートン高分子流体が著しく大きなシート拡張を示す理由は何か？
• RQ3 二軸引張り粘性に基づく単一のスケーリングパラメータが、ニュートン流体および非ニュートン流体の両方の拡張データを統一的に収縮させることができるか？
• RQ4 急速な拡張過程における高分子液体のワイッセンベルク数と有効な二軸引張り粘性の間の定量的関係は何か？
• RQ5 逆レーゲンフォスト効果は、滴衝突ダイナミクスにおいて、引張り散逸とせん断散逸をどれほど明確に分離可能にできるか？

主な発見

• 液体シートの最大拡張因子は、2つの支配的領域に分けられる：キャピラリー領域（粘性に依存しない）と粘性領域（粘性に依存する）。後者はニュートン流体で顕著に抑制される。
• ゼロせん断粘性が類似するニュートン流体と比較して、非ニュートン高分子流体（PEO溶液）は、その特徴的な引張り rheology に起因して著しく拡張が促進される。
• ニュートン流体および非ニュートン流体の両方のデータが、有効な二軸引張りオーナーズ数に対してプロットされた際に、一つのマスターカーブに収束することを確認し、スケーリングモデルの普遍性を裏付けた。
• ニュートン流体では、二軸引張り粘性がせん断粘性の6倍であることが確認され、理論的予測と整合的であった。
• 非ニュートン流体では、有効な二軸引張り粘性がワイッセンベルク数に依存することが判明し、高分子の引張り流れに関する既存の文献データと定量的に一致した。
• 逆レーゲンフォスト効果により、せん断粘性散逸が効果的に抑制され、シート拡張過程における二軸引張り粘性散逸が主なエネルギー損失機構として明確に観察可能となった。