המחברים אסירי תודה DOE ו RPSEA עבור התמיכה הכספית לחברות חסות JIP על שבירה הידראולית ובקרת חול באוניברסיטת טקסס באוסטין (Air Liquide, מוצרי אוויר, Anadarko, אפאצ'י, בייקר יוז, BHP Billiton, BP אמריקה, שברון, ConocoPhillips, אקסון מוביל, פרוס, הליברטון, הס, קבוצת לינד, Pemex, פיוניר פראקסייר, ארמקו הסעודית, שלומברגר, של, סאות'ווסטרן אנרג'י, סטטויל, וות'רפורד ו-YPF).

1. הכנת הנוזלים
במחקר ניסיוני זה נעשה שימוש במערכת נוזלים נטולת פולימרים, ויסקואלסטית, דו-רכיבית, המבוססת על פעילי שטח. מערכת נוזלים זו שימשה בארות נפט וגז בתחומים רבים לייצר לטיפולי שבירה הידראולית44,45. מערכת נוזלים זו משמשת למחקר זה משום שהיא שקופה אופטית וניתן לשלוט בריולוגיה על ידי שינוי שיטתי של הריכוזים והפרופורציות של שני המרכיבים. מערכת הנוזלים מורכבת מ חומר פעיל שטח אניוני (כגון נתרן קסילן סולפונט) כרכיב A ופעיל שטח מקצועי (כגון N,N,N,N-trimethyl-1-octadecamonium chloride) כרכיב B.
<ol><li>הוסיפו ריכוז נתון של רכיב A למים מזוקקים וערבבו סל"ד גבוה באמצעות מערבל תקורה כדי להבטיח ערבוב תקין. אפשר לו לערבב במשך 2-3 דקות.</li>
	<li>מוסיפים ריכוז נתון של רכיב B לתערובת זו ומאפשרים לו לערבב במשך 2-3 דקות נוספות.</li>
	<li>מניחים את התערובת במשך 2-6 שעות כדי לפרוק את בועות האוויר. הערה: תערובת הנוזלים הסופית שקופה אופטית. למחקר זה שבע תערובות נוזלים של ריכוזים שונים משמשים. הריכוזים נבחרים כדי לקבל תערובת נוזלים על פני מגוון רחב של צמיגות.</li>
</ol>2. מדידת מהירויות יישוב בנוזלים לא מאוגדים
כדורי זכוכית של קטרים הנעים בין 1-5 מ"מ משמשים.
<ol><li>השתמש במיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה כדי למדוד את קוטר כדורי הזכוכית. ודאו שלכדורים יש משטחים חלקים והם ספירות כמעט מושלמות.</li>
	<li>אחסן את הנוזל במיכלי זכוכית בקוטר של לפחות פי 25 מקוטר החלקיקים כדי להבטיח שלא תהיה השפעה של הקירות המגבילים על מהירות ההתיישבות של חלקיקים.</li>
	<li>רשום את טמפרטורת החדר ואת טמפרטורת הנוזלים באמצעות מדחום מעבדה. מדידת הטמפרטורה חשובה מכיוון שהמדידות הריאולוגיות של הנוזל צריכות להתבצע בטמפרטורה שבה מבוצע ניסוי ההתיישבות.</li>
	<li>מניחים מקל מטר לצד המיכל.</li>
	<li>בעדינות לטבול את חלקיק הזכוכית בנוזל ולאפשר לו להתיישב. הקלט את תהליך ההתיישבות באמצעות מצלמת וידאו ברזולוציה גבוהה.</li>
	<li>עקוב אחר מיקום החלקיק בשלבי זמן שונים מהסרטון המוקלט באמצעות יישום ניתוח תמונה. הערה: בעבודה זו, נעשה שימוש ביישום תוכנה בשם 'Tracker' (<a href="http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/" target="_blank">http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/</a>).</li>
	<li>התווה את המיקום האנכי של החלקיק לעומת הזמן וחשב את מהירות יישוב המסוף משיפוע הקו.</li>
	<li>חזור על הניסוי תחת קבוצה ייחודית של תנאים לפחות 3x כדי להבטיח שחזור. בצע את ניתוח התמונה עבור מדידות שונות ודווח על מהירות ההתיישבות עבור קוטר חלקיקים נתון בנוזל מסוים באמצעות קווי שגיאה.</li>
	<li>חזור על השלבים לעיל עבור חלקיקים בקוטר שונה ותעד את מהירויות ההתיישבות. התווה את מהירות ההתיישבות לעומת קוטר החלקיקים. הערה: איור 1 מציג את מהירות ההתיישבות של חמישה חלקיקים בגודל שונה בנוזל אחד.
</li>
</ol>3. מדידת מהירויות יישוב לנוזלים בין קירות מקבילים
כדי למדוד את מהירויות ההתיישבות בנוכחות קירות מקבילים, שני תאים ניסיוניים עשויים פרספקס משמשים.
<ol><li>בעת תכנון ובנייה של התא, יש לוודא שהקירות חלקים ומקבילים זה לזה באופן מושלם. שמור על יחס הגובה-רוחב של התאים נמוך כדי להבטיח שאין השפעה של הקירות orthogonal לקירות המקבילים. הערה: הפער בין הקירות בשני התאים במחקר זה הוא 3.6 מ"מ ו 8 מ"מ, בהתאמה. איור 2 מציג סכמטי של תא ניסיוני אחד.</li>
	<li>ממלאים את התא בנוזל ומשחררים בעדינות את החלקיק בתא דרך יציאת הכניסה/היציאה. לאטום את הכניסה / יציאת היציאה עם פקק גומי ולאפשר את החלקיק להתיישב עד שהוא מגיע למרכז התא.</li>
	<li>בשלב זה, בזהירות למקם את התא אנכית ולאפשר את החלקיק להתיישב.</li>
	<li>מניחים מקל מטר לצד התא ומתעדים את ההתיישבות באמצעות מצלמת הווידאו ברזולוציה גבוהה.</li>
	<li>רשום את טמפרטורת החדר ואת טמפרטורת הנוזלים באמצעות מדחום מעבדה. זה חשוב כי המדידות הריאולוגיות של הנוזל צריך להיעשות בטמפרטורה זו.</li>
	<li>כמו במדידות מהירות ההתיישבות הבלתי מוגבלות, מדדו את מהירות ההתיישבות ביישום התוכנה 'Tracker'. חזור על המדידות לפחות שלוש פעמים כדי להבטיח יכולת לשחזור ולקבל קווי שגיאה בכל מדידה.</li>
</ol>4. אפיון ראולוגי של נוזלים
<ol><li>בצע את מדידות צמיגות הגזירה היציבות כדי למדוד את צמיגות הנוזל כפונקציה של קצב הגזירה. הערה: בעבודה זו, RHEOMETER ARES על ידי כלי TA עם מתקן גליל קונצנטרי קיר כפול (בתוך קוטר כוס: 27.95 מ"מ, בתוך קוטר בוב: 29.50 מ"מ, מחוץ לקוטר בוב: 32.00 מ"מ, מחוץ לקוטר כוס: 34.00 מ"מ, אורך בוב: 32.00 מ"מ) משמש.
</li>
	<li>שנה את קצב הגזירה מ- 0.1-800 שניות-1 ובצע מדידות ב- 10 נקודות/עשור. ודא כי הטמפרטורה של הכיפה זהה שבה הניסוי יישוב בוצע באותו נוזל. איור 3 מציג צמיגות לעומת קצב הטיה עבור דגימת נוזל אחת על חלקת יומן רישום.</li>
	<li>עבור אותו נוזל, לחשב את טווח קצב הגזירה שבו החלקיקים נתקלו בניסויים יישוב. השתמש במשטח ממוצע קצב גזירה חלקיקים מוגדר על ידי 2V/dp 20,23, שבו V הוא מהירות ההתיישבות של החלקיקים dp הוא קוטר החלקיקים.</li>
	<li>התאם עקומת חוק כוח μ =Kγn-1בטווח זה של שיעורי גזירה על צמיגות לעומת עלילה שיעור גזירה. על התוויית יומן רישום התאמה זו תהיה קו ישר. קבע את הפרמטרים K (אינדקס עקביות זרימה) ו- n (אינדקס התנהגות זרימה). K ו- n לכמת את צמיגות הנוזלים. איור 3 מראה שחוק הכוח מתאים לאותה עלילה.</li>
	<li>בצע את מדידות התנודות-גזירה הדינמיות על טווח התדרים בין 0.1-100 rad/sec ומדוד את המודולוס האלסטי, G' ומודולוס צמיג, G''. קח מדידה ב 10 נקודות / עשור. איור 4 מציג אתG ' ו- G'' עבור דגימת נוזלים.</li>
	<li>לחשב את היחס בין שני מודולי, G''/G' מנתונים אלה. להתאים את היחס של מודולי למודל מקסוול באמצעות ניתוח רגרסיה ולחשב את זמן הרפיה (λ) של הנוזל. המשוואה ליחס בין שני מודולי לדגם מקסוול היא46,47:</li>
</ol><img alt="Equation 12" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq12highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq12.jpg"> זמן ההרפיה של הנוזל מכמת את גמישות הנוזל. זמן הרפיה גדול יותר, אלסטי יותר הוא הנוזל. איור 5 מציג את ה- G''/G'עבור דגימת הנוזלים יחד עם ההתאמה של מקסוול. ההתאמה מתבצעת על-ידי מזעור סכום מדד השונות מעל טווח התדרים. <img alt="Equation 13" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq13highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq13.jpg">
5. קביעת השפעת האלסטיות על מהירויות יישוב בלתי מוגבלות
<ol><li>ציין את מהירות ההתיישבות הניסיונית של חלקיק בנוזל לא מוגבל על ידי V∞VE שבו '∞VE' מתייחס לנוזלים ויסקואלסטיים לא מכווצים. השווה מהירות יישוב ניסיונית זו למהירות ההתיישבות (V∞INEL) המחושבת על בסיס נתוני צמיגות לכאורה המבוססים על הפרמטרים של דיני הכוח. השתמש בביטויים שפותחו על-ידי Renaud et al. 1 לחישוב V ∞INEL. הביטויים מוזכרים במקטע מבוא. '∞INEL' מתייחס לנוזלים אינלסטיים לא מכופקים.</li>
	<li>חשב את היחס V∞EL/V∞INEL , והתייחס ליחס כיחס המהירות. הערך של יחס המהירות ממחיש את השפעת הגמישות על מהירות ההתיישבות. יחס מהירות גדול מ-1 מרמז על עלייה במהירות/ הפחתת גרירה עקב גמישות נוזלים. יחס מהירות נמוך מ-1 מרמז על שיפור מהירות/גרירה עקב גמישות נוזלים.</li>
	<li>התווה את יחס המהירות כפונקציה של קוטר חלקיקים עבור נוזלים שונים כדי לבחון את ההשפעה של גמישות על מהירות יישוב של חלקיקים בקוטר שונה בנוזלים של rheologies שונים. איור 6 מציג את יחס המהירות כפונקציה של קוטר חלקיקים באחד הנוזלים.</li>
</ol>6. כימות אפקט פיגור של קירות מקבילים על מהירויות יישוב
<ol><li>לחשב את גורם הקיר, Fw עבור חלקיק בקוטר נתון על ידי חלוקת מהירות ההתיישבות בנוכחות קירות מקבילים, V∞VE למהירות ההתיישבות בנוזל ללא גבולות, V∞VE.</li>
	<li>עבור נוזל נתון, התווה את גורמי הקיר כפונקציה של קוטר החלקיקים ליחס הריווח בקיר, r. איור 7 מראה את גורמי הקיר לחלקיקים המתיישבים באחד הנוזלים. העלילה מסייעת לכמת את אפקט פיגור של הקירות המגבילים על מהירות ההתיישבות. הנמך את גורם הקיר, גבוה יותר את אפקט פיגור הקיר.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Renaud, M., Mauret, E., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power-law+fluid+flow+over+a+sphere:+average+shear+rate+and+drag.">Power-law fluid flow over a sphere: average shear rate and drag.</a> 82, 1066-1070 (2004).</li><li>Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bubbles, Drops and Particles. , (1978).</li><li>Khan, A. R., Richardson, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+resistance+to+motion+of+a+solid+sphere+in+a+fluid.">The resistance to motion of a solid sphere in a fluid.</a> Chem. Eng. Sci. 62, 135-150 (1987).</li><li>Zapryanov, Z., Tabakova, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamics of Bubbles, Drops and Rigid Particles. , (1999).</li><li>Michaelides, E. E., DeKee, D., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+2.+Analytical+expressions+for+the+motion+of+particles.">Chapter 2. Analytical expressions for the motion of particles.</a> Transport Processes in Bubbles Drops and Particles. , (2002).</li><li>Michaelides, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+force+and+heat/mass+transfer+from+particles,+bubbles+and+drops+-+the+Freeman+Scholar+Lecture.">Hydrodynamic force and heat/mass transfer from particles, bubbles and drops - the Freeman Scholar Lecture.</a> Journal of Fluids Engineering (AMSE. 125, 209-238 (2003).</li><li>Der Faxen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Widerstand+gegen+die+Bewegung+einer+starren+Kugel+in+einer+z&#228;hen+Fl&#252;ssigkeit,+die+zwischen+zwei+parallelen+ebenen+W&#228;nden+eingeschlossen+ist).">Widerstand gegen die Bewegung einer starren Kugel in einer z&#228;hen Fl&#252;ssigkeit, die zwischen zwei parallelen ebenen W&#228;nden eingeschlossen ist).</a> Annalen der Physics. 68, 89-119 (1922).</li><li>Bohlin, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+drag+on+a+sphere+moving+in+a+viscous+fluid+inside+a+cylindrical+tube.">On the drag on a sphere moving in a viscous fluid inside a cylindrical tube.</a> Trans Royal Insitute of Technology Stockholm. 155, (1960).</li><li>Miyamura, A., Iwasaki, S., Ishii, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+wall+correction+factors+of+single+solid+spheres+in+triangular+and+square+cylinders,+and+parallel+plates.">Experimental wall correction factors of single solid spheres in triangular and square cylinders, and parallel plates.</a> International Journal of Multiphase Flow. 7, 41-46 (1981).</li><li>Tullock, D. L., Phan-Thien, N., Graham, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Boundary+element+simulations+of+spheres+settling+in+circular,+square+and+triangular+ducts.">Boundary element simulations of spheres settling in circular, square and triangular ducts.</a> Rheol. Acta. 31, 139-150 (1992).</li><li>Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+effects+on+terminal+velocity+of+non-spherical+particles+in+non-Newtonian+polymer+solutions.">Wall effects on terminal velocity of non-spherical particles in non-Newtonian polymer solutions.</a> Powder Technology. 88, 39-44 (1996).</li><li>Chhabra, R. P., Dekes, D., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+2.+Wall+effects+on+spheres+falling+axially+in+cylindrical+tubes.">Chapter 2. Wall effects on spheres falling axially in cylindrical tubes.</a> Transport Processes in Bubbles Drops and Particles. , (2002).</li><li>Chhabra, R. P., Francis, S. e. c. o. n. d. e. d. .. ,. T. a. y. l. o. r. &. a. m. p. ;. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bubbles, Drops, and Particles in Non-Newtonian Fluids. , (2007).</li><li>Dazhi, G., Tanner, R. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+drag+on+a+sphere+in+a+power+law+fluid.">The drag on a sphere in a power law fluid.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 17, 1-12 (1984).</li><li>Tripathi, A., Chhabra, R. P., Sundararajan, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power-law+fluid+over+spheroidal+particles.">Power-law fluid over spheroidal particles.</a> Industrial &amp; Engineering Chemistry Research. 33, 403-410 (1994).</li><li>Graham, D. I., Jones, T. E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Settling+and+transport+of+spherical+particles+in+power-law+fluids+at+finite+Reynolds+number.">Settling and transport of spherical particles in power-law fluids at finite Reynolds number.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 54, 465-488 (1994).</li><li>Tripathi, A., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drag+on+spheroidal+particles+in+dilatant+fluids.">Drag on spheroidal particles in dilatant fluids.</a> AIChE. 41 (3), 728-731 (1995).</li><li>Missirlis, K. A., Assimacopoulos, D., Mitsoulis, E., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+effects+for+motion+of+spheres+in+power-law+fluids.">Wall effects for motion of spheres in power-law fluids.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 96 (3), 459-471 (2001).</li><li>Dallon, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A drag coefficient correlation for spheres settling in Ellis fluids [Ph.D. Dissertation]. , (1967).</li><li>Uhlherr, P. H. T., Le, T. N., Tiu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+inelastic+power-law+fluids+using+falling+sphere+data.">Characterization of inelastic power-law fluids using falling sphere data.</a> Canadian Journal of Chemical Engineering. 54, 497-502 (1976).</li><li>Machac, I., Lecjaks, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wall+Effect+for+a+Sphere+Falling+Through+a+Non-Newtonian+Fluid+in+a+Rectangular+Duct.">Wall Effect for a Sphere Falling Through a Non-Newtonian Fluid in a Rectangular Duct.</a> Chemical Engineering Science. 50 (1), 143-148 (1995).</li><li>Kelessidis, V. C., Mpandelis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+and+prediction+of+terminal+velocity+of+solid+particles+falling+through+stagnant+pseudoplastic+liquids.">Measurements and prediction of terminal velocity of solid particles falling through stagnant pseudoplastic liquids.</a> Powder Technology. 147, 117-125 (2004).</li><li>Shah, S. N., Fadili, Y. E., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+model+for+single+spherical+particle+settling+velocity+in+power+law+(visco-inelastic)+fluids.">New model for single spherical particle settling velocity in power law (visco-inelastic) fluids.</a> International Journal of Multiphase Flow. 33, 51-66 (2007).</li><li>Rodrigue, D., DeKee, D., Chan Man Fong, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+slow+motion+of+a+spherical+particle+in+a+Carreau+fluid.">The slow motion of a spherical particle in a Carreau fluid.</a> Chemical Engineering Communications. 154, 203-215 (1996).</li><li>Darby, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Chemical Engineering Fluid Mechanics. , (2001).</li><li>Shah, S. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proppant+settling+correlations+for+non-Newtonian+fluids.">Proppant settling correlations for non-Newtonian fluids.</a> Society of Petroleum Engineers Journal. 22 (2), 164-170 (1982).</li><li>Shah, S. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proppant-settling+correlations+for+non-Newtonian+Fluids.">Proppant-settling correlations for non-Newtonian Fluids.</a> Society of Petroleum Engineers Production Engineering Journal. 1 (6), 446-448 (1986).</li><li>Ford, J. T., Oyeneyin, M. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+formulation+of+milling+fluids+for+efficient+hole+cleaning:+an+experimental+investigation.">The formulation of milling fluids for efficient hole cleaning: an experimental investigation.</a> Paper SPE 38819. , (1994).</li><li>Acharya, A., Mashelkar, R. A., Ulbrecht, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+of+inelastic+and+viscoelastic+fluids+past+a+sphere,+Part+II:+Anomalous+separation+in+the+viscoelastic+fluid+flow.">Flow of inelastic and viscoelastic fluids past a sphere, Part II: Anomalous separation in the viscoelastic fluid flow.</a> Rheological Acta. 15, 471-478 (1976).</li><li>Acharya, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelasticity+of+crosslinked+fracturing+fluids+and+proppant+transport.">Viscoelasticity of crosslinked fracturing fluids and proppant transport.</a> SPE Production Engineering. 3, 483-488 (1988).</li><li>Chhabra, R. P., Uhlherr, P. H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creeping+motion+of+spheres+through+shear-thinning+elastic+fluids+described+by+the+Carreau+viscosity+equation.">Creeping motion of spheres through shear-thinning elastic fluids described by the Carreau viscosity equation.</a> Rheological Acta. 19 (2), 187-195 (1980).</li><li>Bush, M. B., Phan-Thien, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drag+force+on+a+sphere+in+creeping+motion+through+a+Carreau+model+fluid.">Drag force on a sphere in creeping motion through a Carreau model fluid.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 16 (3), 303-313 (1984).</li><li>Broadbent, J. M., Mena, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slow+flow+of+an+elastico-viscous+fluid+past+cylinders+and+spheres.">Slow flow of an elastico-viscous fluid past cylinders and spheres.</a> Chemical Engineering Journal. 8, 11-19 (1974).</li><li>Sigli, D., Coutanceau, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+finite+boundaries+on+the+slow+laminar+isothermal+flow+of+a+viscoelastic+fluid+around+a+spherical+obstacle.">Effect of finite boundaries on the slow laminar isothermal flow of a viscoelastic fluid around a spherical obstacle.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2, 1-21 (1977).</li><li>Brule, B. H. A. A. V. D., Gheissary, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+fluid+elasticity+on+the+static+and+dynamic+settling+of+a+spherical+particle.">Effects of fluid elasticity on the static and dynamic settling of a spherical particle.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 49, 123-132 (1993).</li><li>Walters, K., Tanner, R. I., Chhabra, R. P. . D. e. K. e. e. ,. D. .. ,., DeKee, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+3.+The+Motion+of+a+Sphere+through+an+Elastic+Fluid..">Chapter 3. The Motion of a Sphere through an Elastic Fluid..</a> Transport Processes in Bubbles, Drops and Particles. , (1992).</li><li>McKinley, G. H., DeKee, D., Chhabra, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chapter+14.+Steady+and+transient+motion+of+spherical+particles+in+viscoelastic+liquids.">Chapter 14. Steady and transient motion of spherical particles in viscoelastic liquids.</a> Transport Processes in Bubbles, Drops and Particles. , (2002).</li><li>Chhabra, R. P., Tiu, C., Uhlherr, P. H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+wall+effects+on+the+motion+of+a+sphere+in+viscoelastic+fluids.">A study of wall effects on the motion of a sphere in viscoelastic fluids.</a> Canadian Journal of Chemical Engineering. 59, 771-775 (1981).</li><li>Jones, W. M., Price, A. H., Walters, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+motion+of+a+sphere+falling+under+gravity+in+a+constant+viscosity+elastic+liquid.">The motion of a sphere falling under gravity in a constant viscosity elastic liquid.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 53, 175-196 (1994).</li><li>Navez, V., Walters, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+note+on+settling+in+shear-thinning+polymer+solutions.">A note on settling in shear-thinning polymer solutions.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 67, 325-334 (1996).</li><li>Huang, P. Y., Wall Feng, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=effects+on+the+flow+of+viscoelastic+fluids+around+a+circular+cylinder.">effects on the flow of viscoelastic fluids around a circular cylinder.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 60, 179-198 (1995).</li><li>Sugeng, F., Tanner, R. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+drag+on+spheres+in+viscoelastic+fluids+with+significant+wall+effects.">The drag on spheres in viscoelastic fluids with significant wall effects.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 20, 281-292 (1986).</li><li>Malhotra, S., Sharma, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Settling+of+Spherical+Particles+in+Unbounded+and+Confined+Surfactant-Based+Shear+Thinning+Viscoelastic+Fluids:+An+Experimental+Study.">Settling of Spherical Particles in Unbounded and Confined Surfactant-Based Shear Thinning Viscoelastic Fluids: An Experimental Study.</a> Chemical Engineering Science. 84, 646-655 (2012).</li><li>Zhang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluids+for+Fracturing+Subterranean+Formations.U.S.">Fluids for Fracturing Subterranean Formations.U.S.</a> US patent. , (2002).</li><li>Gupta, D. V. S., Leshchyshyn, T. T., Hlidek, B. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surfactant+gel+foam/emulsions:+History+and+field+application+in+the+western+Canadian+sedimentary+basin.">Surfactant gel foam/emulsions: History and field application in the western Canadian sedimentary basin.</a> , (2005).</li><li>Ferry, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Viscoelastic Properties of Polymers. , (1970).</li><li>Yesilata, B., Clasen, C., McKinley, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+shear+and+extensional+Flow+dynamics+of+wormlike+surfactant+solutions.">Nonlinear shear and extensional Flow dynamics of wormlike surfactant solutions.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 133, 73-90 (2006).</li></ol>

המחברים מבקשים לציין כי מטרת פרסום זה היא הדגמה חזותית של הליך ניסיוני למדידת יישוב חלקיקים. לקבלת תוצאות וניתוחים מפורטים על הקוראים להתייחס לפרסום הקודם43.

המחקר הניסיוני מתמקד במדידת מהירויות יישוב של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים בגזירה בתנאים לא מכופתרים ומרותקים. הליך ניסיוני מפורט להשגת מדידות חוזרות ונשנות של מהירויות יישוב מוצג. התוצאות מוצגות כדי להראות כי גמישות נוזל יכול להגדיל או להקטין את מהירות ההתיישבות. קירות ...

מתלים של חלקיקים בנוזלים נתקלים ביישומים כולל ייצור תרופות, טיפול בשפכים, reinjection דלק חלל, עיבוד מוליכים למחצה, וייצור חומר ניקוי נוזלי. בתעשיית הנפט, נוזלי שבירה ויסקואלסטיים משמשים להובלת פרופנטים (בדרך כלל חול) בשברים הידראוליים. עם הפסקת שאיבה של proppants לשמור על השבר פתוח ולספק מסלול מוליך פחמימנים לזרום בחזרה.
התיישבות של חלקיקים נשלטת על ידי rheology וצפיפות של נוזל, גודל, צורה וצפיפות של חלקיקים ואת ההשפעה של קירות מגבילים. עבור חלקיק כדורי המתיישב בנוזל ניוטוני במשטר הזרימה הזוחל, מהירות ההתיישבות ניתנת על ידי משוואת סטוקס, הנגזרת על ידי סטוקס בשנת 1851. ביטויים לחישוב כוח הגרירה במספרים גבוהים יותר של ריינולדס הוצגו על ידי החוקרים הבאים2-6. קירות מגבילים מפחיתים את מהירויות ההתיישבות על ידי הפעלת אפקט פיגור על חלקיקים. גורם קיר, Fw, מוגדר כיחס של מהירות יישוב מסוף בנוכחות קירות מגבילים למהירות ההתיישבות בתנאים לא מוגבלים. גורם הקיר מכמת את אפקט פיגור של הקירות המגבילים. מחקרים תיאורטיים וניסיוניים רבים כדי לקבוע גורמי קיר עבור תחומים המתיישבים בנוזלים ניוטוניים בצינורות חתך שונים על פני מגוון רחב של מספרי ריינולדס זמינים בספרות7-13. בסך הכל, יש גוף נרחב של מידע זמין כדי לקבוע את הגרירה על כדורים בנוזלים ניוטוניים.
העבודה בעבר על קביעת מהירות יישוב של חלקיקים בנוזלים לא-נווטואניים, במיוחד נוזלים צמיגים, פחות שלמה. תחזיות מספריות שונות14-18 ומחקרים ניסיוניים19-24 זמינים בספרות כדי לקבוע את כוח הגרירה על תחום בנוזלי דיני כוח אינלסטיים. באמצעות התחזיות התיאורטיות של טריפאתי ואח '. 15 ו טריפאתי וצ'אברה17,רנו ואח '. 1 פיתח את הביטויים הבאים לחישוב מקדם הגרירה (CD) בנוזלי דיני כוח לא אלסטיים.
עבור RePL<0.1 (משטר זרימה זוחל)
<img alt="Equation 1" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq1.jpg"> כאשר X(n)הוא פקטור תיקון הגרירה13. RePLהוא מספר ריינולדס עבור כדור נופל בנוזל חוק כוח מוגדר כ:
<img alt="Equation 2" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq2.jpg"> כאשר ρf הוא הצפיפות של הנוזל. פקטור תיקון הגרירה צויד במשוואה הבאה1:
<img alt="Equation 3" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq3.jpg"> באמצעות ההגדרה של מקדם גרירה, מהירות ההתיישבות מחושבת כ:
<img alt="Equation 4" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq4.jpg"> עבור 0.1<RePL<100
<img alt="Equation 5" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq5.jpg"> כאשר X הוא היחס בין שטח הפנים לאזור המוקרן של החלקיק והוא שווה ל- 4 עבור ספירות. CD0 הוא מקדם הגרירה באזור סטוקס (RePL < 0.1) שניתן על ידי Equation 1, CD∞ הוא הערך של מקדם הגרירה באזור ניוטון (RePL > 5 x 102) והוא שווה ל- 0.44. הפרמטרים β, b, k מבוטאים כ:
<img alt="Equations 6-8" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq6-8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq6-8.jpg"> αo = 3 ו- α הוא התיקון עבור קצב הגזירה הממוצע הקשור ל- X(n) כ:
<img alt="Equation 9" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq9.jpg"> כדי לחשב את מהירות היישוב, נעשה שימוש בקבוצה N d 25 ללא ממדים:
<img alt="Equation 10" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq10.jpg"> Nd אינו תלוי במהירות ההתיישבות וניתן לחשב אותו במפורש. באמצעות ערך זה וביטוי מקדם הגרירה במשוואה 5, ניתן לפתור מחדשPL באופן איטרטיבי. לאחר מכן ניתן לחשב את מהירות ההתיישבות באמצעות:
<img alt="Equation 11" fo:src="/files/ftp_upload/50749/50749eq11highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50749/50749eq11.jpg"> הביטויים במשוואות 1-9 התבססו על תחזיות תיאורטיות שהושגו עבור ערכים 1 ≥ n ≥ 0.4. Chhabra13 השווה את התחזיות מהביטויים לעיל עם תוצאות ניסיוניות של שאה26-27 (n השתנה בין 0.281-0.762) ופורד ואח '. 28 (n מגוון בין 0.06-0.29). הביטויים הוצגו כדי לחזות במדויק את מקדמי הגרירה. בהתבסס על ניתוחים אלה, ניתן להשתמש בניסוח הנ"ל כדי לחשב את מהירות ההתיישבות של חלקיקים כדוריים בנוזלי דיני כוח אינלסטיים עבור 1 ≥ n ≥ 0.06. מהירות יישוב חזויה זו בנוזלי דיני כוח אינלסטיים מושווית למהירות הניסיונית בנוזלים הצמיגים של חוק הכוח כדי לקבוע את השפעת גמישות הנוזלים על מהירות ההתיישבות. השלבים המפורטים מוזכרים בסעיף הבא.
הקביעה של מהירות יישוב של חלקיקים בנוזלים ויסקואלסטיים היה גם נושא מחקר עם תצפיות שונות על ידי חוקרים שונים; (i) במשטר הזרימה הזוחלת ההשפעות המתדלדלות של הגזירה מאפילות לחלוטין על ההשפעות הצמיגות ומהירויות ההתיישבות נמצאות בהסכמה מצוינת עם תיאוריות צמיגות לחלוטין29-32, (ii) חלקיקים חווים הפחתת גרירה במשטר הזרימה הזוחל ומחוצה לו והמהירות המתיישבת עולה עקב גמישות30,33,34, (iii) מהירות יישוב מפחיתה עקב גמישות נוזלית35. וולטרס וטאנר36 סיכמו כי עבור נוזלי בוגר (נוזלים אלסטיים צמיגות מתמדת) גמישות גורמת להפחתת גרירה במספרי וייסנברג נמוכים ואחריו שיפור גרירה במספרים גבוהים יותר של וייסנברג. מקינלי37 הדגיש כי ההשפעות המורחבות בעקבות הספירה גורמות לעליית הגרירה במספרים גבוהים יותר של וייסנברג. לאחר סקירה מקיפה של עבודה קודמת על יישוב חלקיקים בנוזלים צמיגים לא מוגבלים ומרותקים, Chhabra13 הדגיש את האתגר של שילוב תיאור מציאותי של צמיגות תלויה קצב גזירה יחד עם גמישות נוזלים בהתפתחויות תיאורטיות. המחקר של השפעות הקיר על יישוב של חלקיקים כדוריים היה גם תחום מחקר בשנים האחרונות38-42. עם זאת, כל העבודה בוצעה על יישוב של חלקיקים כדוריים בצינורות גליליים. אין נתונים זמינים עבור חלקיקים כדוריים המתיישבים בנוזלים ויסקואלסטיים בין קירות מקבילים.
עבודה זו מנסה לחקור ניסויים את יישוב הספירות בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים. מטרת מחקר ניסיוני זה היא להבין את ההשפעה של גמישות נוזלים, גזירה דלילה וקירות מוגבלים על יישוב מהירות של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים. מאמר זה מתמקד בשיטות הניסוי המשמשות למחקר זה יחד עם כמה תוצאות מייצגות. את התוצאות המפורטות יחד עם הניתוחים ניתן למצוא בפרסום מוקדם יותר43.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of the reagent / equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalogue number</td>
			<td>Comments </td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Microspheres</td>
			<td>Whitehouse Scientific</td>
			<td>#GP1750</td>
			<td>Available in different sieve fractions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rheometer</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>ARES</td>
			<td>Any standard rheometer capable of taking dynamic and static measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anionic Surfactant (Component A)</td>
			<td></td>
			<td>Proprietary fluid</td>
			<td>Used in oil field services for hydraulic fracturing. Sodium Xylene Sulfonate can be used as a substitute.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cationic Surfactant (Component B)</td>
			<td></td>
			<td>Proprietary fluid</td>
			<td>Used in oil field services for hydraulic fractuing. N,N,N-Trimethyl-1-Octadecamonium Chloride can be used as a substitute.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental measurement of settling velocity of spherical particles in unconfined and confined surfactant-based shear thinning viscoelastic fluids

מחקר ניסיוני מבוצע כדי למדוד את מהירויות ההתיישבות הסופית של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים (VES) מבוססי פעילי שטח. המדידות נעשות עבור חלקיקים המתיישבים בנוזלים ונוזלים בלתי מוגבלים בין קירות מקבילים. נוזלי VES על פני מגוון רחב של תכונות ראולוגיות מוכנים ומאופיינים באופן ראולוגי. האפיון הריאולוגי כרוך צמיגות גזירה יציבה ומדידות דינמיות נדנוד-גזירה לכמת את המאפיינים צמיגים ואלסטיים בהתאמה. מהירויות ההתיישבות בתנאים לא מוגבלים נמדדות במיטות בקוטר של לפחות פי 25 מקוטר החלקיקים. למדידת מהירויות יישוב בין קירות מקבילים, נבנים שני תאים ניסיוניים עם מרווח קיר שונה. חלקיקים כדוריים בגדלים שונים נופלים בעדינות בנוזלים ומורשים להתיישב. התהליך מוקלט עם מצלמת וידאו ברזולוציה גבוהה ואת המסלול של החלקיק נרשם באמצעות תוכנת ניתוח תמונה. מהירויות יישוב מסוף מחושבות מהנתונים.
ההשפעה של גמישות על מהירות יישוב בנוזלים לא מוגבלים מכמתת על ידי השוואת מהירות ההתיישבות הניסיונית למהירות ההתיישבות המחושבת על ידי תחזיות הגרירה הלא אלסטיות של רנו ואח '. 1 התוצאות מראות כי גמישות של נוזלים יכול להגדיל או להקטין את מהירות ההתיישבות. גודל ההפחתה/עלייה הוא פונקציה של המאפיינים הריאולוגיים של הנוזלים והמאפיינים של חלקיקים. קירות מגבילים נצפו כגורמים לאפקט פיגור בהתיישבות והפיגור נמדד במונחים של גורמי קיר.

הניסויים מבוצעים עבור חמישה חלקיקים בקוטר שונה בשבע תערובות נוזלים שונות עם ערכי K, n ו- λ ייחודיים. איור 1 מציג את מהירות ההתיישבות כפונקציה של קוטר חלקיקים בנוזל אחד. קווי השגיאה מציגים את השונות בשלוש המדידות. טמפרטורת החדר שנמדדה במהלך הניסוי היא 23 <span style="font-size: 13.6...

Watch this Scientific Journal Video about Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids at JoVE.co

Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

מאמר זה מדגים את ההליך הניסיוני למדידת מהירויות יישוב סופניות של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים על בסיס פעילי שטח. נוזלים על פני מגוון רחב של תכונות ראולוגיות מוכנים ומהירויות יישוב נמדדים עבור מגוון של גדלי חלקיקים בנוזלים ונוזלים ללא גבולות בין קירות מקבילים.

מדידה ניסיונית של מהירות יישוב של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים לא מכופתרים ומרותקים על בסיס חומרים פעילי שטח

An experimental study is performed to measure the terminal settling velocities of spherical particles in surfactant based shear thinning viscoelastic ...

experimental-measurement-settling-velocity-spherical-particles

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Civil Engineering

Unit 1

Fluid Statics

Application of Newton's Laws of Motion

SCIENTISTS IN ACTION

13.2K Views.  The University of Texas at Austin. מאמר זה מדגים את ההליך הניסיוני למדידת מהירויות יישוב סופניות של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים על בסיס פעילי שטח. נוזלים על פני מגוון רחב של תכונות ראולוגיות מוכנים ומהירויות יישוב נמדדים עבור מגוון של גדלי חלקיקים בנוזלים ונוזלים ללא גבולות בין...

Video: Experimental Measurement of Settling Velocity of Spherical Particles in Unconfined and Confined Surfactant-based Shear Thinning Viscoelastic Fluids

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

המצאה של תחמוצות מורכבות מוקפות מרחבית

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

אולטראסאונד מהירות מדידה במתכת נוזלית אלקטרודה

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their behavior for single stages of a process or even an entire process. For the simulation with occurring particle-particle and particle-wall contacts, the value of the coefficient of restitution is required. It can be determined experimentally. The coefficient of restitution depends on several parameters like the impact velocity. Especially for fine particles the impact velocity depends on the air pressure and under atmospheric pressure high impact velocities cannot be reached. For this, a new experimental setup for free-fall tests under vacuum conditions is developed. The coefficient of restitution is determined with the impact and rebound velocity which are detected by a high-speed camera. To not hinder the view, the vacuum chamber is made of glass. Also a new release mechanism to drop one single particle under vacuum conditions is constructed. Due to that, all properties of the particle can be characterized beforehand.

The coefficient of restitution is a parameter that describes the loss of kinetic energy during collision. Here, a free-fall setup under vacuum conditions is developed to be able to determine the coefficient of restitution parameter for particles in micrometer range with high impact velocities.

פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film synthesis) for the purpose of exploratory materials research. Certain materials pose a challenge wherein the traditional bulk Hall bar device fabrication method is insufficient to produce a measureable device for sample transport measurement, principally because the single crystal size is too small to attach wire leads to the sample in a Hall bar configuration. This can be, for example, because the first batch of a new material synthesized yields very small single crystals or because flakes of samples of one to very few monolayers are desired. In order to enable rapid characterization of materials that may be carried out in parallel with improvements to their growth methodology, a method of device fabrication for very small samples has been devised to permit the characterization of novel materials as soon as a preliminary batch has been produced. A slight variation of this methodology is applicable to producing devices using exfoliated samples of two-dimensional materials such as graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and transition metal dichalcogenides (TMDs), as well as multilayer heterostructures of such materials. Here we present detailed protocols for the experimental device fabrication of fragments and flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate and subsequent measurement in a commercial superconducting magnet, dry helium close-cycle cryostat magnetotransport system at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

We describe the methodology of mechanical exfoliation and deposition of flakes of novel materials with micron-sized dimensions onto substrate, fabrication of experimental device structures for transport experimentation, and the magnetotransport measurement in a dry helium close-cycle cryostat at temperatures down to 0.300 K and magnetic fields up to 12 T.

שיטות ניסיוניות מתקדמות לטמפרטורה נמוכה Magnetotransport מדידה של חומרים חדשים

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor compression based cooling process. Nickel-Titanium (Ni-Ti) based alloy systems, especially, show large elastocaloric effects. Furthermore, exhibit large latent heats which is a necessary material property for the development of an efficient solid-state based cooling process. A scientific test rig has been designed to investigate these processes and the elastocaloric effects in SMAs. The realized test rig enables independent control of an SMA&#39;s mechanical loading and unloading cycles, as well as conductive heat transfer between SMA cooling elements and a heat source/sink. The test rig is equipped with a comprehensive monitoring system capable of synchronized measurements of mechanical and thermal parameters. In addition to determining the process-dependent mechanical work, the system also enables measurement of thermal caloric aspects of the elastocaloric cooling effect through use of a high-performance infrared camera. This combination is of particular interest, because it allows illustrations of localization and rate effects &#8212; both important for efficient heat transfer from the medium to be cooled.
The work presented describes an experimental method to identify elastocaloric material properties in different materials and sample geometries. Furthermore, the test rig is used to investigate different cooling process variations. The introduced analysis methods enable a differentiated consideration of material, process and related boundary condition influences on the process efficiency. The comparison of the experimental data with the simulation results (of a thermomechanically coupled finite element model) allows for better understanding of the underlying physics of the elastocaloric effect. In addition, the experimental results, as well as the findings based on the simulation results, are used to improve the material properties.

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

שיטות ניסיוניות לחקירות זיכרון צורה Elastocaloric בהתבסס תהליכי קירור ותיקוף דגם

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

טוען מלכודת אופטית של דיאלקטרי microparticles באוויר

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of first injecting fluorescent dye directly into a pipe filled with distilled water and allowing it to diffuse across the cross-section of the pipe to obtain a uniformly distributed initial condition. Following this period, the laminar flow is activated with a programmable syringe pump to observe the competition of advection and diffusion of the tracer through the pipe. Asymmetries in the tracer distribution are studied and correlations between the pipe cross-section and the shape of the distribution is shown: thin channels (aspect ratio &#60;&#60; 1) produce tracers arriving with sharp fronts and tapering tails (front-loaded distributions), while thick channels (aspect ratio ~1) present the opposite behavior (back-loaded distributions). The experimental procedure is applied to capillary tubes of various geometries and is particularly relevant to microfluidic applications by dynamical similarity.

A protocol for the study of the diffusion of passive tracers in laminar pressure-driven flow is presented. The procedure is applicable to various capillary pipe geometries.

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

שיטות של באתרו לשעבר בחיי עיר חקירות של המרות מבניים: המקרה של התגבשות של משקפיים מתכתי

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of data that can be obtained from an individual sample and renders it difficult to produce statistically relevant data for unique and rare materials. Resonant cavity dielectric spectroscopy is a non-destructive, contactless technique which can simultaneously interrogate both sides of a sheeted material and provide measurements which are suitable for statistical interpretations. This offers analysts the ability to quickly discriminate between sheeted materials based on composition and storage history. In this methodology article, we demonstrate how contactless resonant cavity dielectric spectroscopy may be used to differentiate between paper analytes of varying fiber species compositions, to determine the relative age of the paper, and to detect and quantify the amount of post-consumer waste (PCW) recycled fiber content in manufactured office paper.

A protocol for the non-destructive analysis of the fiber content and relative age of paper.

פיתוח שיטה עבור מדעי החלל ללא מגע מכשירים ספקטרוסקופיים הדיאלקטרי של הנייר תאית

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...

Measurement of Chladni Mode Shapes with an Optical Lever Method

Quantitatively determining the Chladni pattern of an elastic plate is of great interest in both physical science and engineering applications. In this paper, a method of measuring mode shapes of a vibrating plate based on an optical lever method is proposed. Three circular acrylic plates were employed in the measurement under different center harmonic excitations. Different from a traditional method, only an ordinary laser pen and a light screen made of ground glass are employed in this novel approach. The approach is as follows: the laser pen projects a beam to the vibrating plate perpendicularly, and then the beam is reflected to the light screen in the distance, on which a line segment made of the reflected spot is formed. Due to the principle of vision persistence, the light spot could be read as a bright straight line. The relationship between the slope of the mode shape, length of the light spot and the distance of the vibrating plate and the light screen can be obtained with algebraic operations. Then the mode shape can be determined by integrating the slope distribution with suitable boundary conditions. The full-field mode shapes of Chladni plate could also be determined further in such a simple way.

A simple method of measuring the Chladni mode shape on an elastic plate by the principle of an optical lever is proposed.

מדידה של צורות מצב כלדני בשיטת מנוף אופטי

Quantitatively determining the Chladni pattern of an elastic plate is of great interest in both physical science and engineering applications. In this ...