[논문 리뷰] Fluidisation of yield stress fluids under vibration

Arnav Garg, N. Bergemann외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 28.

Rheology and Fluid Dynamics StudiesChemical Engineering인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 수직 방향의 정현파 진동을 이용해 응력유한유체인 녹은 초콜릿과 카르보폴 마이크로젤의 진동적 유체화를 조사한다. 두 물질 모두 임계 강성 가속도를 초과하면 확산이 발생하지만, 카르보폴은 큰 진폭의 진동을 동반한 빠른 평형 형태로 회복되는 반면, 초콜릿은 역사에 따라 달라지는 느린 확산을 보인다.

ABSTRACT

Motivated by the industrial processing of chocolate, we study experimentally the fluidisation of a sessile drop of yield-stress fluid on a pre-existing layer of the same fluid under vertical sinusoidal oscillations. We compare the behaviours of molten chocolate and Carbopol which are both shear-thinning with a similar yield stress but exhibit very different elastic properties. We find that these materials spread when the forcing acceleration exceeds a threshold which is determined by the initial deposition process. However, they exhibit very different spreading behaviours: whereas chocolate exhibits slow long-term spreading, the Carbopol drop rapidly relaxes its stress by spreading to a new equilibrium shape with an enlarged footprint. This spreading is insensitive to the history of the forcing. In addition, the Carbopol drop performs large-amplitude oscillations with the forcing frequency, both above and below the threshold. We investigate these viscoelastic oscillations and provide evidence of complex nonlinear viscoelastic behaviour in the vicinity of the spreading threshold. In fact, for forcing accelerations greater than the spreading threshold, our drop automatically adjusts its shape to remain at the yield stress. We discuss how our vibrated-drop experiment offers a new and powerful approach to probing the yield transition in elastoviscoplastic fluids.

연구 동기 및 목표

• 산업적 가공 과정에서의 초콜릿과 같은 재료를 고려해, 수직 진동 하에서 응력유한유체의 유체화 메커니즘을 이해하는 것.
• 유사한 응력유한값을 가지지만 다른 탄성 특성을 지닌 두 가지 비뉴턴성, 응력유한유체인 녹은 초콜릿과 카르보폴 마이크로젤의 확산 행동을 비교하는 것.
• 응력유한 경계 근처에서 확산의 시작과 동역학에 영향을 미치는 점탄성 및 외부력 역사에 기여하는 요소를 조사하는 것.
• 순환 점탄성 측정과 응력 램프를 이용해 카르보폴 마이크로젤의 동적 응력유한값과 응력유한 이후의 유동 거동을 특성화하는 것.
• 탄성점성유체의 응력유한 전이를 탐색하기 위한 새로운 도구로 진동하는 방울 실험을 개발하는 것.

제안 방법

• 녹은 초콜릿과 카르보폴 마이크로젤의 고정된 방울을 동일한 유체로 이루어진 기초층 위에 놓고, 수직 정현파 진동 조건에서 실험을 수행하였다.
• 다양한 주파수와 진폭을 사용하여, 확산을 유도하는 데 필요한 외부 가속도의 임계값을 도출하였다.
• 고정된 속도로 응력 램프(0.83–2.67 Pa/s)를 적용한 순환 점탄성 측정을 수행하여 동적 응력유한값과 응력유한 이후의 유동 곡선을 결정하였다.
• 유체역학적 모델을 가정하지 않고, 코우에트 유사 기하구조에서 각속도로부터 유속을 추출하기 위해 수치적 역문제 해결 기법을 사용하였다.
• 응력유한 이후 데이터를 허시엘-불크리( Herschel-Bulkley ) 모델에 적합시켜 점성 및 유동 거동 지수를 정량화하였으며, 실험 데이터로부터 유도된 파라미터를 사용하였다.
• 상승 및 하강 응력 사이클 간의 히스테리시스를 분석하여, 응력유한 후의 탈구조성 및 점탄성 기억 효과를 평가하였다.

Figure 1 : Schematic diagram of the experimental setup. The vertical displacement of the oscillating platform from its equilibrium position is given by $z(t)=A\sin(2\pi ft)$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 진동 하에서 응력유한유체의 확산을 유도하기 위해 필요한 임계 외부 가속도는 얼마인가?
• RQ2 유동성이 높고 탄성이 낮은 유체(녹은 초콜릿)와 높은 탄성과 비뉴턴성 특성을 지닌 젤(카르보폴)이 동일한 진동 조건에서 확산 행동에 어떤 차이를 보이는가?
• RQ3 카르보폴의 확산 행동이 외부력 역사나 사전 점도 처리 역사에 얼마나 의존하는가?
• RQ4 2.2 g/L 농도의 카르보폴 마이크로젤의 동적 응력유한값은 얼마이며, 정적 응력유한값과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 스티크-슬립 및 큰 진폭의 진동과 같은 점탄성 효과가 응력유한 경계 근처에서의 유체화 과정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초콜릿과 카르보폴 모두 임계 외부 가속도를 초과하면 확산이 발생하지만, 이 임계값은 初기 적재 방법에 따라 달라진다.
• 카르보폴은 새로운 평형 형태로 빠르게 확산되며, 이는 점탄성 유동에 의한 응력 완화를 나타내며, 확산 면적이 크게 증가한다.
• 카르보폴 방울은 확산 임계값 이하 또는 초과 시에도 외부 진동 주파수와 동일한 주파수로 큰 진폭의 진동을 수행한다. 이는 비선형 점탄성 반응을 나타낸다.
• 2.2 g/L 농도의 카르보폴 마이크로젤의 동적 응력유한값은 35 ± 3 Pa로 측정되었으며, 여러 실험에서 일관된 값인 35 ± 5 Pa를 보였다.
• 카르보폴의 응력유한 이후의 유동 거동은 허시엘-불크리 모델로 잘 기술되며, 농도 2.2 g/L일 때 파라미터 K = 8.2 Pa s^n 및 n = 0.49 ± 0.02로 나타났다.
• 상승 및 하강 응력 사이클 간의 히스테리시스는 최소한으로(5% 이내) 나타나, 시험 범위 내에서 탈구조성은 거의 없음을 시사한다.

Figure 2 : Schematic diagram of the substrate assembly and illustration of the procedure used to deposit the drop.