[논문 리뷰] Thixotropy in Viscoplastic Drop Impact on Thin Films

Samya Sen, Anthony G. Morales외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 14.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 69인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고속 영상 기반으로 얇은 필름에 대한 점성플라스틱 방울 충격에서 비탄성 노화 효과를 조사하며, 고령화된 Laponite 분산계에서 방울이 튀는 것을 억제하는 것은 더 긴 비탄성 붕괴 시간 스케일 때문임을 밝혀냈다. 저자들은 점성 매개변수를 일정하게 유지하면서 고령화된 저장율(G′) 기반의 유효 항력 응력으로 차원 없는 力 군 IF(D/t)를 수정함으로써, 노화 상태 간 일관된 임계 전이 값을 복원할 것을 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 예상 응력 유체가 코팅된 필름에 충격을 받을 때 비탄성 노화의 영향을 조사하기 위해.
• 충격 중 비탄성 붕괴 시간 스케일이 점성플라스틱 유체에서 튀는 행동에 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 기존의 무차원 군 IF(D/t)가 비탄성 시스템에서 붙음-튀김 전이를 예측하는 데 타당한지 평가하기 위해.
• 노화된 샘플의 시간에 따라 변화하는 미세구조 진화를 고려한 IF(D/t)의 수정을 제안하고 검증하기 위해.
• 스프레이 코팅 및 화재 진압과 같은 순차적 방울 침착을 포함한 응용 분야에서 튀는 행동을 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• Laponite 분산계의 제어된 구형 방울을 생성하기 위해 드롭 메이커 장치를 사용한 고속 영상 촬영.
• 방울 직경, 필름 두께, 충격 속도 및 노화 시간(미노화 대비 노화된 샘플)을 체계적으로 변화시킴.
• 노화되지 않은 샘플의 정체 점성 률적 성질(σy, K, η∞) 측정 및 노화된 샘플의 유효 항력 응력 추정을 위해 저장율 G′ 사용.
• 정체 상태 항력 응력 대신 G′ 기반의 노화에 의존하는 유효 항력 응력으로 IF(D/t) 군을 수정함. 이때 K와 η∞는 일정하게 유지.
• 수정된 IF(D/t) 군을 사용하여 노화 상태 간 튀는 전이 행동 비교.
• 일반화된 Herschel-Bulkley 모델을 사용해 정체 상태 유동 행동 기술. IF(D/t)는 관성력 대 소산력의 비율을 나타냄.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비탄성 노화는 얇은 필름에 충격을 가하는 점성플라스틱 방울의 튀는 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 충격 중 비탄성 붕괴의 특성 시간 스케일이 방울 충격 사건의 결과에 영향을 미치는가?
• RQ3 기존의 무차원 군 IF(D/t)는 비탄성 응력 유체에서 튀는 전이를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 노화된 샘플의 시간에 따라 변화하는 미세구조 진화를 고려하기 위해 IF(D/t)에 필요한 수정은 무엇인가?
• RQ5 모델가 적절히 수정되었을 때, 다양한 노화 상태 간에 튀는 전이의 임계 IF(D/t) 값이 일관되게 유지되는가?

주요 결과

• 비탄성 노화는 방울 튀는 현상을 억제하며, 노화된 Laponite 분산계는 미노화된 샘플에 비해 튀는 현상이 감소함.
• 비탄성 붕괴 시간 스케일(약 100 ms)은 충격 사건의 시간 스케일(~10 ms)과 유사하거나 그보다 길며, 이는 노화가 역학적 행동에 상당한 영향을 미침.
• 노화된 샘플에서 정체 상태 점성 률적 매개변수를 정의할 수 없기 때문에 원래의 IF(D/t) 군은 노화된 샘플과 미노화된 샘플 간 일관된 튀는 전이를 예측하지 못함.
• IF(D/t)에 대한 가장 효과적인 수정은 노화된 샘플의 저장율 G′ 기반으로 항력 응력(σy)을 증가시키되, 점성 매개변수 K와 η∞는 재생된 값으로 일정하게 유지하는 것임.
• 이 수정을 통해 튀는 전이의 임계 IF(D/t) 값은 노화된 샘플과 미노화된 샘플 간에 일관되게 유지되며, 이는 신뢰성 있는 예측이 가능함.
• 결과적으로 비탄성 노화는 예상 응력 유체 충격의 척도 법칙에 명시적으로 고려되어야 하며, 특히 순차적 침착 또는 단시간 스케일 유동을 포함한 응용 분야에서 중요함.