بررسی تحلیلی و آزمایشگاهی سقوط خزشی یک قطره ویسکوالاستیک در میان یک فاز مایع

چکیده حرکت و شکل قطره در حال سقوط در فاز سیالی دیگر از اهمیت ویژه ای در دینامیک سیالات برخوردار است. اهمیت این موضوع را می توان در جداسازی سیالات به خصوص در زمینه های صنعت نفت و پترشیمی، تولید دارو (بویژه پنی سیلین)، ته نشینی مواد موجود در فاضلاب ها، نیروگاه ها (برج های خنک کننده)، مبدل های حرارتی و ... مشاهده نمود. از بین کاربردهای گفته شده برای سقوط قطره در صنعت، بخشی از آنها در دسته سیالات ویسکوالاستیک قرار دارند. به عبارت دیگر، در بسیاری از موارد حرکت قطره ویسکوالاستیک در سیال نیوتنی، قطره نیوتنی در سیال ویسکوالاستیک و قطره ویسکوالاستیک در سیال ویسکوالاستیک مورد نظر است. این تحقیق برآن است که حرکت و شکل سقوط قطره ویسکوالاستیک در سیال نیوتنی را مورد بررسی قرار دهد. جریان مورد نظر خزشی بوده و روش های آزمایشگاهی و تحلیلی مد نظر می باشد. برای قطره نیوتنی در حال سقوط در فاز نیوتنی که دارای جریان خزشی باشد، شکل قطره کاملاً کروی می-باشد. این در حالی است که، شکل قطره ویسکوالاستیک در حال سقوط در فاز نیوتنی با افزایش حجم قطره برای سیال ویسکوالاستیک مشخص و افزایش خاصیت الاستیک برای قطره ای با حجم مشخص از حالت کروی خارج می گردد. با افزایش حجم قطره شکل آن به قطره ای پهن شده تبدیل می شود تا اینکه در حجم معینی (حجم بحرانی) یک حفره در قسمت انتهایی قطره (در بالاترین نقطه قطره) پدیدار شده و باعث فرورفتن قطره به داخل خود در این قسمت می گردد. تغییر شکل قطره، ناشی از نیروهایی است که در فصل مشترک دو سیال وارد می شود. نیروهای وارده بر قطره ویسکوالاستیک در حال سقوط در سیال نیوتنی ساکن شامل نیروی وزن، کشش سطحی، فشار و تنش های ویسکوالاستیک است. در بین این نیروها کشش سطحی و تنش های ویسکوالاستیک نسبت به بقیه موارد دارای بیشترین تأثیر روی شکل قطره در حال سقوط می باشند. برای یک سیال ویسکوالاستیک مشخص به عنوان فاز قطره با خواص رئولوژی ثابت، افزایش حجم سبب تولید حفره در قسمت انتهایی قطره می شود. برای قطرات به اندازه کافی کوچک شکل قطره کروی باقی می ماند چرا که در این حالت، نیروی کشش سطحی به عنوان نیروی غالب عمل کرده و این نیرو همواره سعی دارد تا قطره کرویت خود را حفظ کرده و کمترین مساحت ممکن را اشغال نماید. با افزایش حجم قطره ویسکوالاستیک در حال سقوط، مولفه نرمال تنش ویسکوالاستیک به نیروی کشش سطحی غلبه کرده و باعث ایجاد حفره ای در قسمت انتهایی قطره می شود. این روند بر حرکت قطره نیز تأثیر دارد بطوریکه سرعت نهایی سقوط قطره ویسکوالاستیک در مقابل قطره نیوتنی با شرایط یکسان کاهش می یابد. در قسمت آزمایشگاهی تحقیق حاضر از روغن سیلیکون به عنوان سیال نیوتنی محیط و از محلول آب/گلیسیرین و پلیمر گزانتام به عنوان فاز قطره استفاده شده است. برای تولید قطرات با حجم های مختلف از نازل هایی با قطر متفاوت استفاده شده است. آنالیز تصاویر بدست آمده از مشاهدات آزمایشگاهی به وسیله برنامه های پردازش تصویر صورت گرفته است. روش حل تحلیلی استفاده از حساب اغتشاشات می باشد. اعداد بی بعد دبورا و مویینگی به عنوان پارامترهای اغتشاشی در نظر گرفته شده اند. مدل شبه خطی اولروید-بی و غیرخطی گزیکس برای شبیه سازی حرکت و شکل قطره ویسکوالاستیک در حال سقوط به کار گرفته شده است. با مقایسه نتایج حاصل از مشاهدات آزمایشگاهی و حل تحلیلی مشخص شده است که نتایج بدست آمده از هر دو مدل اولروید-بی و گزیکس نسبت به مطالعات پیشین بهتر بوده است. همچنین مشخص شده است که مدل غیر خطی گزیکس دارای تطابق بیشتری با نتایج آزمایشگاهی نسبت به مدل اولروید-بی می باشد که در مورد شکل پایای قطره ویسکوالاستیک نسبت به حرکت آن مشهودتر است. همچنین در تحقیق حاضر مشخص شده است: - حفره ایجادی با افزایش اعداد بی بعد دبورا و مویینگی رشد می کند که سرعت رشد آن برای عدد مویینگی نسبت به عدد دبورا بیشتر است. - تغییرات نسبت ویسکوزیته تأثیر زیادی روی شکل قطرات ندارد. - افزایش نسبت ویسکوزیته قطره ویسکوالاستیک باعث رشد حفره تولیدی در قطره می گردد. - سرعت نهایی قطره ویسکوالاستیک در مقابل قطره نیوتنی کاهش می یابد و با افزایش خاصیت الاستیک قطره روند کاهش آن تسریع می گردد. - با افزایش ضریب تحرک برای مدل گزیکس سرعت سقوط قطره کاهش پیدا می کند. - با افزایش خاصیت الاستیک قطره ویسکوالاستیک میدان های سرعت داخل قطره توسعه یافته و رشد می کنند.