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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-28863
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2010/2886/


Viskoelastische Polymerlösungen in Scher-, Dehnungs- und rotationsfreier Strömung

Viscoelastic polymer solutions under shear, extensional and rotationless flow conditions

Zell, Andreas Michael

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SWD-Schlagwörter: Polymere , Makrorheologie , Rheologie , Direkte numerische Simulation , Rotationsströmung , Nichtnewtonsche Strömung , Instabile Strömung
Freie Schlagwörter (Englisch): polymer solutions , rheology , non-Newtonian flow , elastic instabilities , shear flow
Institut: Fachrichtung 7.3 - Technische Physik
Fakultät: Fakultät 7 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wagner, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.03.2010
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 10.03.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung einer rotationsfreien Strömung im Taylor-Couette System. Diese besondere Form der Strömung wurde aus dem zirkularen Couette Fluss mit Hilfe des Prinzips, dass beliebige Strömungen in die Teile Rotation und Dehnung aufgeteilt werden können, gewonnen, um dann mit verschiedenen Mitteln analysiert zu werden. Dabei wurden zunächst die ngrundlegenden Eigenschaften der Strömung in einem viskoelastischen Modellsystem analytisch berechnet. Zur weiterführenden Beschreibung wurden zusätzlich numerische Kalkulationen zur Separation zweier infinitesimal kleiner Fluidvolumen im Fluss aufgestellt. Durch die sukzessiv aufgebauten experimentellen Untersuchungen mit verschieden gearteten viskoelastischen Flüssigkeiten wurde die Charakterisierung der rotationsfreien zirkularen Couette Strömung komplettiert. Zu diesen Analysen zählten auch Referenzexperimente in Scher- bzw. Dehnungsströmungen, deren fundamentale Resultate genutzt werden konnten um ein tiefgreifendes Verständnis für das Verhalten der verwendeten Polymerlösungen unter dem Einfluss der verschiedenen Strömungsformen zu gewinnen. Insbesondere konnte durch die experimentelle Bestimmung der Grenzen zur elastischen Instabilität der Polymerlösungen ein makroskopisch auftretender Effekt mit den materialspezifischen Normalspannungen verknüpft werden. Die Kombination der analytischen, numerischen und experimentellen Ergebnisse führte zur Schlussfolgerung, dass die vorgestellte rotationsfreie Strömungsform die charakteristischen Eigenschaften von viskoelastischen Flüssigkeiten nicht anspricht. Dennoch stellt der untersuchte Fluss mit seiner fehlende Rotationskomponente eine Besonderheit in einem strömungsdynamischen Bezug dar, die sowohl vom planaren Dehnungsfluss als auch vom einfachen Scherfluss unterschieden werden muss.
Kurzfassung auf Englisch: The presented thesis focuses on the treatment of a non rotational flow field in a Taylor-Couette cell. This extraordinary flow is constructed by the common known principle of decomposing any given velocity profile into a rotational and an elongational part. Knowing the flow field of the new gained non rotational circular Couette flow several investigative techniques have been used to characterize its properties. Beneath the analytic calculation of the shear and normal stresses of a viscoelastic model fluid numerical computations have been used to describe the separation of two infinitesimal fluid volumes under non rotational CCF. The whole investigation on the flow is completed by experiments that are extended step by step with Fluids of different viscoelastic properties under the influence of the non rotational flow field. Thereby, reference experiments in steady shear and elongational flow have been carried out. The fundamental results of these investigations provided a deep insight into the behavior of polymer solutions under the imposed flow fields. In addition to this, we found a direct coupling of a viscoelastic material parameter, namely the first normal stresses, to the onset of elastic instabilities of the used polymer solutions. Combining the results of all three types of investigative methods, analytical, numerical as well as experimental, one has to conclude that the rotationless CCF does not couple to the characteristic properties of viscoelastic Fluids. Despite of this fact, the flow itself with its lack of a rotational component represents a non standard velocity field in hydrodynamics that has to be separated clearly from e.g. planar elongational or simple shear flow.
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