In order to investigate systematically the steady shear flow properties of aqueous po1y(ethylene oxide) (PEO) solutions having various molecular weights and concentrations, the steady flow viscosity has been measured with a Rheometrics Fluids Spectrometer (RFS II) over a wide range of shear rates. The effects of shear rate, concentration, and molecular weight on the steady shear flow properties were reported in detail from the experimentally measured data, and then the results were interpreted using the concept of a material characteristic time. In addition, some flow models describing the non-Newtonian behavior (shear-thinning characteristics) of polymeric liquids were employed to make a quantitative evaluation of the steady flow behavior, and the applicability of these models was examined by calculating the various material parameters. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) At low shear rates, aqueous PEO solutions show a Newtonian viscous behavior which is independent of shear rate. At shear rate region higher than a critical shear rate, however, they exhibit a shear-thinning behavior, demonstrating a decrease in steady flow viscosity with increasing shear rate. (2) As an increase in concentration and/or molecular weight, the zero-shear viscosity is increased while the Newtonian viscous region becomes narrower. Moreover, the critical shear rate at which the transition from the Newtonian to shear-thinning behavior occurs is decreased, and the shear-thinning nature becomes more remarkable. (3) Aqueous PEO solutions show a Newtonian viscous behavior at shear rate range lower than the inverse value of a characteristic time $1/{\lambda}_E$, while they exhibit a shear-thinning behavior at shear rate range higher than $1/{\lambda}_E$. For aqueous PEO solutions having a broad molecular weight distribution, the inverse value of a characteristic time is not quantitatively equivalent to the critical shear rate, but the power-law relationship holds between the two quantities. (4) The Cross, Carreau, and Carreau-Yasuda models are all applicable to describe the steady flow behavior of aqueous PEO solutions. Among these models, the Carreau-Yasuda model has the best validity.
The droplet ejection behavior from drop-on-demand printhead are investigated numerically for Newtonian and shear-thinning fluid. The numerical simulation is performed using a volume-of-fluid model. In this study, we compare the printable range in terms of Z number and pinch-off time for Newtonian and shear-thinning fluids. The printability range are found to be 1.08 $$\leq_-$$ Z $$\leq_-$$ 12.9 for Newtonian fluid and 0.8 $$\leq_-$$ Z $$\leq_-$$ 12.9 for shear-thinning fluid. However, air entrainment is observed during merging of primary and satellite droplet within the printability range. The pinch-off time of the shear-thinning fluid is apparently shorter compared to the corresponding Newtonian fluid due to shear-thinning effects and the differences in the pinch-off time is enlarged significantly when the capillary number is larger than 0.5.
In the present study, spread-recoil behavior of a drop of shear-thinning liquid (xanthan solution) on a dry wall (polished stainless-steel plate) was examined and compared with that of Newtonian liquid (glycerin solution). Nine different kinds of xanthan and glycerin solutions were tested, including three pairs of xanthan and glycerin solutions, each having the same viscosity in low shear rate region ($10^{-2}-10^0\;l/s$). The drop behavior was visualized and recorded using a CCD camera. The maximum diameter and the spreading velocity of the xanthan drops turned out to be significantly larger and the time to reach their final shape was much shorter compared to the cases with the glycerin solutions, due to the smaller viscous dissipation resulted from lower viscosity in the higher shear rate region (>$10^0\;l/s$). As a result, the maximum diameters were measured to be larger than the predicted values based on the model proposed for Newtonian liquids, and the deviation was more pronounced with the solution with the larger viscosity variation. Consequently, viscosity variation with the shear rate was found to be a dominant factor governing the spread-recoil behavior of shear-thinning drops.
The rheological and penetration characteristics of sodium alginate and xanthan gum aqueous solutions were analyzed for the development of biopolymer-based injection materials. The results of viscosity measurements for the rheological characteristics analysis show that all aqueous biopolymer solutions exhibit a tendency for shear-thinning, i.e., the apparent viscosity decreases as the shear rate increases. In addition, a regression analysis using several models (Power-law, Casson, Sisko, and Cross) was applied to the shear-thinning fluid analysis results, the highest accuracy was determined by applying the power-law model. The micromodel experiment for the penetration characteristics analysis determined that all biopolymer aqueous solutions show higher pore saturation than water, and that pore saturation tends to increase as the flow rate and concentration increases. When comparing the rheological and penetration characteristics of the biopolymer aqueous solution used in this study, the xanthan gum aqueous solution showed a fully developed shear-thinning tendency, unlike the sodium alginate aqueous solution. This tendency is considered to have the advantage of enhancement injectability and pore saturation.
Using a Rheometrics Fluids Spectrometer(RFS II), the steady shear flow and the small-amplitude dynamic viscoelastic properties of three kinds of semi-solid food materials(mayonnaise, tomato ketchup, and wasabi) have been measured over a wide range of shear rates and angular frequencies. The shear rate dependence of steady flow behavior and the angular frequency dependence of dynamic viscoelastic behavior were reported from the experimentally measured data. In addition, some viscoplastic flow models with a yield stress term were employed to make a quantitative evaluation of the steady flow behavior, and the applicability of these models was also examined in detail. Furthermore, the correlations between steady shear flow(nonlinear behavior) and dynamic viscoelastic(linear behavior)properties were discussed using the modified power-law flow equations. Main results obtained from this study can be summarized as follows : (1) Semi-solid food materials are regarded as viscoplastic fluids having a finite magnitude of yield stress, and their flow behavior shows shear-thinning characteristics, exhibiting a decrease in steady flow viscosity with increasing shear rate. (2) The Herschel-Bulkley, Mizrahi-Berk, and Heinz-Casson models are all applicable to describe the steady flow behavior of semi-solid food materials. Among these models, the Heinz-Casson model has the best validity. (3) Semi-solid food materials show a stronger shear-thinning behavior at shear rate region higher than a critical shear rate where a more progressive structure breakdown takes place. (4) Both the storage and loss moduli are increased with increasing angular frequency, but they have a slight dependence on angular frequency. The elastic behavior is dominant to the viscous behavior over a wide range of angular frequencies. (5) All of the steady flow, dynamic, and complex viscosities are well satisfied with the power-law model behavior. The relationships between steady shear flow and dynamic viscoelastic properties can well be described by the modified forms of the power-law flow equations.
Kim, Jeong-Hwa;Song, Ki-Won;Lee, Jang-Oo;Lee, Chi-Ho
Journal of Pharmaceutical Investigation
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v.25
no.3
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pp.213-221
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1995
The steady shear flow properties of six kinds of commercial toothpastes were measured using a concentric cylinder type rheometer. In this paper, the shear rate and temperature dependencies of their flow behavior were investigated and the validity of the Casson and Herschel-Bulkley models was examined. Further, the flow properties over a wide temperature range were quantitatively evaluated by calculating the various material parameters. Main results obtained from this study can be summarized as follows: (1) Toothpastes are plastic fluids with a yield stress and their flow behavior shows shear-thinning characteristics. (2) With increasing temperature, the degree of shear-thinning becomes weaker and the Newtonian flow behavior occurs at a lower shear rate range. (3) The Herschel-Bulkley model is more effective than the Casson model in predicting their flow behavior. (4) As the temperature increases, the yield stress, plastic viscosity and consistency index become smaller, on the contrary, the flow behavior index becomes larger.
Kim, Jeong-Hwa;Song, Ki-Won;Jang, Gap-Shik;Lee, Jang-Oo;Lee, Chi-Ho
YAKHAK HOEJI
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v.41
no.1
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pp.38-47
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1997
Using a concentric cylinder type, rheometer. the steady shear flow properties of vaseline were measured over the temperature range of 20~70${\circ}$C. In this paper, the shea rate and temperature dependencies of its flow behavior were investigated and the validity of some flow models was examined. In addition, the flow characteristics over a wide temperature range were quantitatively evaluated by calculating the various material parameters. Main findings obtained from this study can be summarized as follows: (1) At relatively lower temperature range, vaseline is a plastic fluid with a yield stress and its flow behavior shows shear-thinning characteristics. (2) As the temperature increases, the value of a yield stress and the degree of shear-thinning become smaller, consequently, the Newtonian flow behavior occurs at a lower shear rate range. (3) At temperature range lower than 45${\circ}$C, the flow behavior shows much stronger temperature dependence, and a larger activation energy is needed for flow. (4) The Herschel-Bulkley model is the most effective one g$^3$ to predict the flow behavior of vaseline having a yield stress. The validity of the Bingham and Casson models becomes more available with increasing temperature. The flow behavior of vaseline at temperature range higher than 45${\circ}$C can be perfectly described by the Newton model.
The role of viscosity index improver's(Ⅶ) additives for modem engine lubrication is complex. Under the condition of atmosphere or low shear rate, the characteristics of Ⅶ added lubricant is verified and quoted frequently for mathematical model of lubricant behavior. However, recent research shows that added lubricant has the characteristics of shear thinning at high shear rate condition although it performs well enough over the whole range of working temperature. At high shear rate, they show significant decrease of apparent viscosity irrespective of temperature. Many experimental researches verify that Ⅶ added lubricant shows boundary film layer formation on the solid surface as well as shear thinning effect by its polymeric molecular characteristics. The intend of our research is to verify the effects of Ⅶ from the viewpoint of continuum mechanics, because conventional Reynolds'equation with only pressure-viscosity relation cannot fully predict the lubricant behavior under the Ⅶ added condition. In these aspects, Reynolds'equation of Newtonian fluid model lacks the reflection of real fluid behavior and there is no way to explain the non-linear characteristics of Ⅶ added lubricant. In this research, we mathematically modeled the Ⅶ added lubricant behaviors which are the characteristics of non-Newtonian fluid behavior at high shear rate and boundary film formation on the solid surface. The consideration of elastic deformation in the contact region is also included in our computation and finally the converged film pressure and the film thickness with elastic deformation are obtained. The results are compared with those of Newtonian fluid model.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.12
no.9
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pp.3808-3814
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2011
The prediction of heat transfer and pressure drops in the exchanger passages is a clue to the problem of heat exchanger design. In order to make such predictions for non-Newtonian fluids, it is necessary to know the relation between the viscous properties of the fluid and the wall shear rate in the duct. This study deals with the limits of validity of the power law equation. The useful methodology of the present research involves a consideration of a more general equation which has power law and Newtonian behavior as asymptotes. It isconcluded that use of the power law equation outside of its applicability range can lead to serious errors inpredicting the heat transfer and pressure drops. The present computational results of the friction factors times Reynolds number for shear-thinning fluid flows in a triangular duct are compared with previous published results, showing agreement with 0.13 % in Newtonian region and 2.85 % in power law region. These shear-thinning fluid results also showed the 12% increase of convective heat transfer enhancement compared with Newtonian heat transfer.
The rheological properties of complex materials such as polymer melts show complicated non-Newtonian flow phenomena when they are subjected to shear flow. These flow properties are controlled by the characteristics of flow units and the interactions among the flow segments. The non-Newtonian flow curves of poly(vinyl alcohol) hydrogel were obtained in various concentrations and temperatures by using a cone-plate rheometer. By applying non-Newtonian flow equation to the flow curves for PVA hydrogel samples, the rheological parameters were obtained. The PVA hydrogel samples are shear thinning under increasing shear rate modes which result in thixotropic behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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