[논문 리뷰] Biaxial extensional viscous dissipation in sheets expansion formed by impact of drops of Newtonian and non-Newtonian fluids

Ameur Louhichi, Carole-Ann Charles외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 55인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 액체 질소 코팅된 퀀츠 판에 떨어지는 방울에 의한 자유 확장하는 액체 필름에서 이축 연신 점성 소산을 조사한다. 이는 역 라이덴프로스트 효과를 활용하여 비틀림 소산을 제거한다. 저자들은 비뉴턴성 고분자 유체가 고유한 이축 연신 점성으로 인해 특히 강한 필름 확장을 보이며, 이는 효과적 이축 연신 온조르호 수에 따라 스케일링된 후 단일 마스터 커브에 모두 수렴함을 입증한다. 비뉴턴성 거동은 와이센베르그 수에 의존하는 연신 점성으로 정량적으로 설명된다.

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>

연구 동기 및 목표

• 자유 확장하는 액체 필름에서 이축 연신 점성 소산을 분리하고 정량화함으로써 비틀림 소산과의 분리.
• 동일한 충격 조건에서 뉴턴성 및 비뉴턴성 유체의 확장 역학을 비교.
• 다양한 유체 유형 간의 확장 행동을 통합하는 데 기초한 이축 연신 점성에 기반한 스케일링 프레임워크 개발.
• 특히 고분자량 고분자 용액에서 점탄성의 확장에 미치는 영향을 정량화.
• 실험 데이터를 사용하여 모델을 검증하고 기존의 이론적 및 실험적 결과와 일치시킴.

제안 방법

• 액체 질소로 냉각된 퀀츠 판에 방울을 떨어뜨려 역 라이덴프로스트 효과를 유도함으로써 직접 접촉과 비틀림 점성 소산을 제거.
• 고속 상단 및 측면 영상 촬영(6700 fps 및 3200 fps)을 통해 필름 확장 및 후퇴 역학을 기록하고, 영상 분석을 통해 가장자리 지름의 변화 추적.
• 유체의 밀도, 표면장력 및 이축 연신 점성으로 구성된 이축 연신 온조르호 수를 구성하였으며, 뉴턴성 유체는 점탄성 점도의 6배를 사용.
• 비뉴턴성 유체의 경우, 유변학적 데이터로부터 와이센베르그 수에 의존하는 이축 연신 점성을 유도하고 스케일링 모델에 적용.
• 최대 확장 인자에 대해 효과적 이축 연신 온조르호 수를 대응하여 플롯함으로써 데이터 수렴을 달성하였으며, 이는 일반화된 스케일링 행동을 확인함.
• PEO 용액과 뉴턴성 글리세린-물 혼합물의 유변학적 특성 분석을 통해 충격 실험 이전의 점성 및 탄성 프로파일을 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이축 연신 점성 소산은 방울 충격 후 자유 확장하는 액체 필름의 최대 확장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 비뉴턴성 고분자 유체는 유사한 영점 점도를 가진 뉴턴성 유체보다 훨씬 더 큰 필름 확장을 보이는가?
• RQ3 이축 연신 점성에 기반한 단일 스케일링 매개변수로 뉴턴성 및 비뉴턴성 유체 유형 간의 확장 데이터를 수렴시킬 수 있는가?
• RQ4 고분자 액체에서 급속한 확장 중에 와이센베르그 수와 효과적 이축 연신 점성 간의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ5 역 라이덴프로스트 효과는 방울 충격 역학에서 연신과 비틀림 점성 소산을 얼마나 철저히 분리시키는가?

주요 결과

• 액체 필름의 최대 확장 인자는 두 영역에 의해 지배된다: 표면장력 영역(점도에 무관)과 점성 영역(점도에 의존), 후자는 뉴턴성 유체에서 강하게 억제됨.
• 비뉴턴성 고분자 유체(PEO 용액)는 동일한 영점 점도를 가진 뉴턴성 유체보다 훨씬 높은 필름 확장을 보이며, 이는 고유한 연신 유변학적 성질 때문임.
• 뉴턴성 및 비뉴턴성 유체의 데이터는 효과적 이축 연신 온조르호 수에 따라 플롯되었을 때 단일 마스터 커브에 수렴함으로써 스케일링 모델의 일반성 확인.
• 뉴턴성 유체의 경우 이축 연신 점성은 점탄성 점도의 6배이며, 이는 이론적 예측과 일치함.
• 비뉴턴성 유체의 경우 효과적 이축 연신 점성은 와이센베르그 수에 의존함이 확인되었으며, 고분자 연신 유동에 관한 문헌 데이터와 정량적으로 일치함.
• 역 라이덴프로스트 효과는 비틀림 점성 소산을 성공적으로 억제하여, 필름 확장 중 연신 점성 소산이 주요 에너지 손실 메커니즘으로 명확하게 관찰되도록 함.