[論文レビュー] Thixotropy in Viscoplastic Drop Impact on Thin Films

Samya Sen, Anthony G. Morales+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 69被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、高速撮影を用いて、薄いフィルム上への粘塑性液滴衝突におけるトキソトロピック老化効果を調査し、老化したLaponite懸濁液がトキソトロピック破壊の時間スケールが長くなるため、飛沫発生を抑制することを明らかにした。著者らは、定常状態のせん断応力の代わりに、老化した状態の貯蔵率 G′ に基づいた有効せん断応力に IF(D/t) の次元なし力群を修正することを提案し、粘性パラメータを一定に保ったまま、老化状態にかかわらず一貫した臨界遷移値を回復させた。

ABSTRACT

We use high-speed imaging to study the effect of thixotropic aging in drop impact of yield-stress fluids on pre-coated substrates. Our results reveal that drop splashing is suppressed for "aged" compared to "unaged" samples, indicating that thixotropic breakdown timescales during impact are long enough to affect the dynamics. We propose and test several hypotheses for modifying the dimensionless group ${ m IF}(D/t)$ [1,2] to account for thixotropic aging. The main challenge is that the steady flow properties (Herschel-Bulkley model parameters) used in the current dimensionless group cannot be defined or measured for thixotropically aged samples, because any deformation inherently rejuvenates and breaks down the microstructure. We find the most suitable hypothesis is to only increase the yield stress ($\sigma_{ m y}$, plastic component) based on the storage modulus of aged samples, while keeping the viscous parameters ($K$ or $\eta_{\infty}$) constant. The work reveals fundamental insight into rarely studied short-timescale flow conditions with thixotropic effects. These results are important for applications such as fire suppression or spray coating that involve complex fluids of varying degrees of thixotropic aging.

研究の動機と目的

• プレコーテッドフィルム上におけるせん断応力を持つ流体の液滴衝突ダイナミクスに及ぼすトキソトロピック老化の影響を調査すること。
• 衝突中のトキソトロピック破壊の特徴的な時間スケールが、粘塑性流体の飛沫発生行動に与える影響を特定すること。
• 既存の次元なし群 IF(D/t) が、トキソトロピック系における「くっつき飛散」遷移を予測するのに有効かどうかを評価すること。
• 老化したサンプルにおける時間依存的微視的構造進化を考慮した IF(D/t) の修正を提案・検証すること。
• スプレー塗装や消火など、連続的液滴堆積を含む応用分野における飛沫発生行動の信頼性の高い予測を可能にすること。

提案手法

• Laponite懸濁液の制御された球状液滴を生成するドロップメイカー装置を用いた高速撮影による液滴衝突の観察。
• 液滴径、フィルム厚さ、衝突速度、および老化時間（未老化対比老化）を体系的に変化させた実験。
• 未老化サンプルの定常せん断 rheological 特性（σy, K, η∞）を測定し、老化サンプルの有効せん断応力推定に貯蔵率 G′ を用いた。
• IF(D/t) の次元なし群を修正し、定常状態のせん断応力の代わりに、G′ に基づく老化依存の有効せん断応力に置き換え、K と η∞ を一定に保った。
• 修正された IF(D/t) 群を用いて、老化状態にかかわらず飛沫遷移行動を比較した。
• 一般化された Herschel-Bulkley モデルを用いて定常状態の流れ行動を記述し、IF(D/t) は慣性力と散逸力の比を表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トキソトロピック老化は、薄いフィルム上に衝突する粘塑性液滴の飛沫発生行動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 衝突中のトキソトロピック破壊の特徴的な時間スケールが、液滴衝突イベントの結果に影響を与えるか？
• RQ3 既存の次元なし群 IF(D/t) は、トキソトロピックせん断応力流体における飛沫遷移を正確に予測できるか？
• RQ4 老化したサンプルにおける時間依存的微視的構造進化を考慮するための IF(D/t) の修正は、どのようなものが必要か？
• RQ5 適切に修正されたモデルのもとで、異なる老化状態においても飛沫遷移の臨界 IF(D/t) 値が一貫しているか？

主な発見

• トキソトロピック老化は液滴の飛沫発生を抑制し、老化したLaponite懸濁液は未老化サンプルに比べて飛散が減少することを示した。
• トキソトロピック破壊の時間スケール（約100 ms）は、衝突イベントの時間スケール（約10 ms）と同等またはそれ以上であり、老化が動的挙動に顕著に影響することを示した。
• 老化した微視的構造が変化するサンプルでは定常状態の rheological パラメータを定義できないため、元の IF(D/t) 群は老化済みと未老化の両状態で一貫した飛沫遷移を予測できない。
• IF(D/t) の最も効果的な修正は、粘性パラメータ K と η∞ を再生状態の値に一定に保ったまま、貯蔵率 G′ に基づいてせん断応力（σy）を増加させることであった。
• この修正により、老化済みおよび未老化サンプルの両方で飛沫遷移の臨界 IF(D/t) 値が一貫して維持され、信頼性の高い予測が可能になった。
• 結果は、特に連続的堆積や短時間スケールの流れを伴う応用分野において、せん断応力流体衝突のスケーリング則にトキソトロピック老化を明示的に取り入れる必要があることを示した。