Οι μηχανικοί περιγράφουν πώς τα υγρά εναιωρήματα παρουσιάζουν διαφορετικές συμπεριφορές σε διαφορετικές κλίμακες

Μια σταγόνα ενός δισκίου υγρού ελαίου σιλικόνης έχει διαφορετικές συγκεντρώσεις σωματιδίων 140 μm: (α) καθαρό υγρό, (β) συγκέντρωση 2%, (γ) 20%, (δ) 50%. Πίστωση: Thiévenaz and Sauret

Το μέλι είναι πράγματι ένα παχύρρευστο υγρό, αλλά αφήστε το να αρχίσει να κρυσταλλώνει και μπορεί να γίνει αρκετά σβώλων. Οι κρύσταλλοι ζάχαρης στο εναιώρημα φαίνεται να αυξάνουν το ιξώδες του. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει σε ολόκληρο τον φυσικό κόσμο και τον κόσμο των εγκαταστάσεων: από τις λασπορροές έως τις επικαλύψεις, τα εναιωρήματα σωματιδίων τείνουν να συμπεριφέρονται σαν παχύρρευστα υγρά.


Οι μηχανικοί το χρησιμοποιούν προς όφελός τους μοντελοποιώντας τις μακροσκοπικές ιδιότητες του σχόλιο Με βάση το μέγεθος και τη συγκέντρωση των σωματιδίων του. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση αναλύεται σε μια ορισμένη κλίμακα. Ο Virgil Thivenas και ο Alban Sauri του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα προσπάθησαν να καθορίσουν πότε και πώς.

Ανακάλυψαν ότι τα σωματίδια δεν εξαπλώνονται ομοιόμορφα όταν το εναιώρημα πέσει κάτω από μια συγκεκριμένη κλίμακα μήκους, όπως όταν το υγρό πιέζεται για να σχηματίσει το λαιμό της σταγόνας. Τελικά, θα υπάρξει μια λεπτή περιοχή χωρίς σωματίδια που θα συμπεριφέρονται σαν καθαρό υγρό. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημώντονίζουν τα όρια των προσεγγίσεων και έχουν πολλές πιθανές εφαρμογές σε βιομηχανικά περιβάλλοντα.

Το ιξώδες καθορίζει την εσωτερική τριβή μεταξύ των στρωμάτων ενός υγρού. Σε ένα παχύρρευστο ρευστό, το ενιαίο στρώμα ασκεί μεγαλύτερη έλξη στο γείτονά του, με αποτέλεσμα ένα παχύτερο ρευστό που είναι πιο ανθεκτικό στην παραμόρφωση και τη ροή. Τα αιωρούμενα σωματίδια συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο. Το σωματίδιο είναι πιο πιθανό να κινηθεί όταν κινούνται οι γείτονές του, γεγονός που αυξάνει το αποτελεσματικό ιξώδες του ρευστού. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις φέρνουν τα σωματίδια πιο κοντά μεταξύ τους, ενισχύοντας το αποτέλεσμα. «Όσο κοιτάς το εναιώρημα από μακριά, είναι απλώς ένα πιο παχύρρευστο υγρό», εξήγησε ο Thiévenaz, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών.

Σε πειράματα σταγονιδίων, οι Thiévenaz και Sauret παρατήρησαν ότι οι αναρτήσεις θα τεντώνονταν σαν Παχύρρευστο υγρό μέχρι ένα ορισμένο πάχος, μετά από το οποίο καθίσταται δυνατή η απομάκρυνση των σωματιδίων το ένα από το άλλο. Αυτό δημιουργεί περιοχές διαφορετικών συγκεντρώσεων που συμπεριφέρονται διαφορετικά. Στο τέλος, η περιοχή δεν θα περιέχει κανένα σωματίδιο και θα λειτουργεί ως καθαρό υγρό. Στη συνέχεια, το αποτελεσματικό ιξώδες απλοποιείται στο ιξώδες υγρού.

Οι μηχανικοί έχουν συλλέξει πολλά δεδομένα για τη βαθμονόμηση του αποτελεσματικού ιξώδους των αναρτήσεων με μέγεθος σωματιδίων και εστίαση σε μεγάλες περιοχές. Η πρόκληση για τον Thiévenaz και τον Sauret ήταν να καταλάβουν τον κατά προσέγγιση όγκο που χρησιμοποιούσαν κλασικά για τη μοντελοποίηση μενταγιόν που άρχιζαν να καταρρέουν.

Με περαιτέρω πειράματα, οι συγγραφείς προσδιόρισαν ότι αυτό το όριο ποικίλλει επίσης ανάλογα με το μέγεθος και τη συγκέντρωση των σωματιδίων. Το εναιώρημα θα μετατραπεί από τη συμπεριφορά του ως παχύρρευστο υγρό στο ότι θα συμπεριφέρεται περισσότερο σαν ένα ετερογενές μείγμα σε κλίμακες ίσου μεγέθους σωματιδίων.

Με ενδιαφέρο, μικρότερα σωματίδια Φαίνεται να έχει σχετικά ισχυρότερο αποτέλεσμα. «Για το μέγεθος των σωματιδίων, το όριο είναι πολύ μεγαλύτερο για τα μικρά σωματίδια σε μια ορισμένη συγκέντρωση», δήλωσε ο Sauette, επίκουρος καθηγητής μηχανολογίας.

Για παράδειγμα, ένα εναιώρημα συγκέντρωσης 30% σωματιδίων 140 μm μπορεί να συμπεριφέρεται ομαλά σε κλίμακες 600 μm ή περίπου τέσσερις φορές τη διάμετρο των σωματιδίων. Αλλά ένα εναιώρημα που περιέχει 20 μικρόμετρα σωματιδίων στην ίδια συγκέντρωση μπορεί να εμφανίσει αυτό το αποτέλεσμα έως και 250 μικρόμετρα: μια γενικά μικρότερη κλίμακα, αλλά περισσότερο από 12 φορές τη διάμετρο των σωματιδίων.

Η πρόβλεψη της συμπεριφοράς της ανάρτησης έχει σημαντικές εφαρμογές στην κατασκευή. Η διαδικασία μπορεί να απαιτεί επεξεργασία φιλμ ή δημιουργία μικρών φιλμ σταγόνες ψεκασμούΟι τεχνικοί πρέπει να είναι σε θέση να προβλέψουν τα χαρακτηριστικά αυτών των συστημάτων. Για τα βυθισμένα μέρη, ο σωστός χειρισμός των σωματιδίων στο φιλμ μπορεί να είναι η διαφορά μεταξύ του τελικού προϊόντος και του απόλυτου χάους, εξήγησε ο Sauette.

Η βαφή με σπρέι παρέχει μια σαφέστερη απεικόνιση αυτού του φαινομένου. Ένα καθαρό υγρό, όπως ένα βερνίκι, συμπεριφέρεται διαφορετικά από ένα εναιώρημα, όπως ένα χρώμα, κατά τον ψεκασμό του προϊόντος. Σε σύγκριση με ένα καθαρό υγρό με την ίδια αποτελεσματικότητα ιξώδες, η ανάρτηση θα αποσυντεθεί νωρίς με λιγότερες και μεγαλύτερες πτώσεις. Το επόμενο καθήκον των ερευνητών είναι να προσδιορίσουν πώς ο αριθμός και το μέγεθος των σταγονιδίων εξαρτάται από παραμέτρους όπως η ταχύτητα, η συγκέντρωση σωματιδίων και μέγεθος σωματιδίου.

Τα στρογγυλεμένα εναιωρήματα ως παχύρρευστα υγρά λειτουργούν καλά, αλλά μόνο σε ορισμένες περιοχές. «Κάποια στιγμή θα αποτύχει», είπε ο Sorett. «Και πρέπει να είμαστε σε θέση να πούμε ότι σε αυτό το σημείο δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτήν την προσέγγιση, αντίθετα πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια διαφορετική μέθοδο».


Οι νέες εικόνες οδηγούν σε καλύτερη πρόβλεψη του πάχους διάτμησης


περισσότερες πληροφορίες:
Virgile Thiévenaz et al, Έναρξη ετερογένειας σε σταγόνες αναστολής, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2022). DOI: 10.1073/pnas.2120893119

το απόσπασμα: Οι μηχανικοί περιγράφουν πώς οι υγρές αναρτήσεις εμφανίζουν διαφορετικές συμπεριφορές σε διαφορετικές κλίμακες (2022, 7 Απριλίου) Ανακτήθηκε στις 7 Απριλίου 2022 από τη https://phys.org/news/2022-04-fluid-suspensions-behaviors-scales.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  «Θεέ μου, είναι σκληρό»: Αξιωματικοί συντήρησης ελικοπτέρων κυνηγούν άρρωστα ελάφια

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *