[논문 리뷰] Accelerated drop detachment in dense granular suspensions

Claire Bonnoit, Éric Clément외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 09.

Granular flow and fluidized beds인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 체적 분율(15–55%)과 입자 크기(20–140 μm)를 가진 모델Suspension을 사용하여 농축된 입자성 슬러지에서 낙하 이탈을 조사한다. 연구는 두 가지 다른 이탈 영역을 규명한다: 초기 단계는 슬러지 점도에 의해 지배되며, 후기 단계에서는 여전히 목 부분에 입자가 존재하는 동안도 간섭 유체의 거동과 일치하는 동역학을 보이며, 최종 이탈 시점에서 입자 크기 효과로 인해 빨라지는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We experimentally study the detachment of drops of granular suspensions using a density matched model suspension with varying volume fraction ({\phi} = 15% to 55%) and grain diameter (d = 20 {\mu}m to 140 {\mu}m). We show that at the beginning of the detachment process, the suspensions behave as an effective fluid. The detachment dynamics in this regime can be entirely described by the shear viscosity of the suspension. At later stages of the detachment the dynamics become independent of the volume fraction and are found to be identical to the dynamics of the interstitial fluid. Surprisingly, visual observation reveals that at this stage particles are still present in the neck. We suspect rearrangements of particles to locally free the neck of grains, causing the observed dynamics. Close to the final pinch off, the detachment of the suspensions is further accelerated, compared to the dynamics of pure interstitial fluid. This acceleration might be due to the fact that the neck diameter gets of the order of magnitude of the size of the grains and a continuous thinning of the liquid thread is not possible any more. The crossover between the different detachment regimes is function of the grain size and the initial volume fraction. We characterize the overall acceleration as a function of the grain size and volume fraction.

연구 동기 및 목표

• 다양한 체적 분율과 입자 크기에서 농축된 입자성 슬러지의 이탈 동역학을 이해하기 위해.
• 입자 상호작용과 슬러지의 유변학이 이탈 과정에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 슬러지에서 점성과 유체 유사 이탈 영역 간의 전이를 조사하기 위해.
• 목 부분에 입자가 존재하는 바에도 불구하고 최종 이탈 단계에서 관측된 가속화를 설명하기 위해.

제안 방법

• 부력 영향을 제거하기 위해 밀도가 일치하는 모델 슬러지를 사용하여 유변학적 영향을 분리하기 위해 실험을 수행하였다.
• 체적 분율(φ = 15%에서 55%)과 입자 지름(d = 20 μm에서 140 μm)을 제어하여 슬러지를 제조하였다.
• 고속 영상 촬영을 통해 목 부분의 진화와 이탈 시점을 추적함으로써 이탈 동역학을 분석하였다.
• 슬러지의 비틀림 점도를 측정하고 초기 단계의 이탈 행동을 모델링하는 데 사용하였다.
• 후기 단계의 동역학을 간섭 유체의 거동과 비교하여 이격 또는 유사성을 확인하였다.
• 시각적 관찰을 통해 후기 단계의 목 부분에서의 입자 재배열을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 체적 분율이 입자성 슬러지의 초기 단계 이탈 동역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 목 부분에 명백한 입자가 존재하는 바에도 불구하고 슬러지의 후기 단계 이탈 동역학이 간섭 유체의 거동과 일치하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 순수한 유체 거동과 비교할 때 관측된 최종 이탈 단계의 가속화는 무엇에 기인하는가?
• RQ4 입자 크기와 초깃값 체적 분율이 이탈 영역 간 전이에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 초기 이탈 단계에서는 슬러지의 비틀림 점도에 의해 동역학이 완전히 기술된다.
• 후기 단계에서는 이탈 동역학이 체적 분율에 영향을 받지 않으며 간섭 유체의 거동과 일치한다.
• 유체 유사 동역학을 보이지만, 시각적 관찰을 통해 후기 단계의 얇아짐 동안에도 입자가 목 부분에 그대로 존재하는 것으로 확인되었다.
• 순수한 간섭 유체보다도 최종 이탈 단계에서 뚜렷한 가속화가 관측되었으며, 이는 목 부분의 얇아짐에 대한 입자 크기 효과에 기인한다.
• 이탈 영역 간 전이는 입자 크기와 초깃값 체적 분율에 모두 의존한다.
• 전반적인 이탈 가속도는 입자 크기와 체적 분율에 대한 함수로 정량적으로 특성화되었다.