metodos de medidas reologicas

Curso de Reología Aplicada Febrero 2006Dr. Javier Blasco Alberto. Área de Mecánica de Fluidos. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza

Métodos de medidas reológicas

Parte II

Fluidosviscoelásticos


Contenido

1) Introducción

2) Modelos

3) Ensayos reológicos

4) Fuentes de error


Introducción


Manifestación de viscoelasticidad

• Vertido de fluido viscoelástico

Vídeo: min 5:44 - 7:03

http://web.mit.edu/fluids/www/Shapiro/ncfmf.html



• Dejamos caer bola en vaso de precipitados

Vídeo: min 7:04 - 7:28



• Causas de este comportamiento– Mezcla de sólido (elástico) y fluido (viscoso)– Aparecen esfuerzos normales – El fluido “almacena” energía (muelle) que luego libera

– CUIDADO con la liberación de la energía …(ejemplo: bombeo)

Vídeo: min 7:28 – 8:15



• Ascenso por el eje de giro(rod climbing o Efecto Weissenberg)

Vídeo: min 14:30 – 16:00



• Dilatación al salir de un tubo (die swell)

Sección desalida

Expansióndel fluido

Vídeo: min 20:00-20:25


Ejemplos de viscoelasticidad

• Ejemplos– Sangre (glóbulos rojos elásticos + líq. newt.)– Polímeros fundidos– Adhesivos– Harina con agua


Modelos


ModelosSólido de Hooke

Fluido newtoniano

Kelvin-Voigt Maxwell

Burgers

Prof. R. Moreno 2005


Ensayosreológicos


Ensayos

1) Esfuerzos normales

2) Expansión al salir del molde

3) Ensayo de fluencia (“creep and recovery”)

4) Ensayo oscilatorio (usado en las prácticas)


Ensayo 1: difer. esf. normales

• Medir diferencia de esfuerzos normales

• Comparar N1 con el esfuerzo de cizalla

1 11 22N σ σ= −


Ensayo 2: expansión salida tubo

• Grosor del fluido extruido: medido con láser

• Inconvenientes:– Medida relativa de la viscoelasticidad (i.e. indirecta)

• Ventajas:– Mide la viscoelasticidad en condiciones normales de

trabajo (altas velocidades de cizalla)


Ensayo 3: Ensayo de fluenciaEsfuerzo

Deformación

1ª fase:esfuerzoconstante

2ª fase:esfuerzocero

Esperar al estacionario

creeprecovery

Modo CS

t

t


Ensayo de fluencia

t

t

Esfuerzo

Deformación

Sólido de Hooke

Se deformainstantáneamentecierta cantidad

Se recuperainstantáneamente


Ensayo de fluencia

t

t

Esfuerzo

Deformación

Fluido newtoniano

Se deformaindefinidamente

Deja de deformarseinstantáneamente


Ensayo de fluencia

t

t

Esfuerzo

Deformación

Fluido newtonianocon esfuerzo umbral

y σ<σy

¡Como un sólido!Se recuperainstantáneamenteSe deforma

instantáneamentecierta cantidad


Ensayo de fluenciaEsfuerzo

Deformaciónt

Vuelve progresivamentehasta deformación cero

t

Se deformaprogresivamentehasta un límite

Modelo Kelvin-Voigt



Deformaciónt

Mantiene esadeformación

t

Sólido:deformacióninstantánea

Fluido de Maxwell

Fluido newtoniano:deformaciónindefinida

Recuperacióninmediata



Deformaciónt

Mantiene esadeformación

t

Sólido:deformacióninstantánea

Modelo de Burger

Recuperacióninmediata

F. newt.

Evolución progresiva


Ensayo de fluencia

Ventajas de este ensayo

– Permite averiguar si el fluido se asemeja a un modelo• Sólido de Hooke• Fluido Newtoniano• Modelo de Kelvin-Voigt• Fluido de Maxwell• Modelo de Burger

– Permite medir su esfuerzo umbral (p.ej. pinturas)(yield stress, punto de flujo)


Ensayo de fluencia

Precauciones

– Modelos sólo válidos en zona lineal(esfuerzos pequeños)

– PERO ... En aplicaciones industriales, esfuerzos elevados (p.ej. mezcladores)


Ensayo 4: ensayo oscilatorio

• Se somete a la muestra a una deformación oscilante de pequeña amplitud (γ<1º)

• Entonces se mideel esfuerzo que haceel fluido

• Otra opción:al revés

0 cos tγ γ ω=

0 cos tσ σ ω=


Ensayo oscilatorio

• Según el desfase entre– Deformación aplicada– Esfuerzo medido

• δ=0º sólido elástico• δ=90º fluido puramente viscoso• 0<δ<90 fluido viscoelástico

0 cos tγ γ ω=( )0 cos tσ δσ ω= +


Ensayo oscilatorio

Sólido elástico (δ=0º)


Ensayo oscilatorio

Fluido puramente viscoso (δ=90º)


Ensayo oscilatorio

Fluido viscoelástico(0<δ<90º)


Ensayo oscilatorio

Módulo complejo: G*

G* = G’ + iG’’

Módulo de pérdida(parte viscosa = irreversible)Módulo elástico

o módulo de almacenamiento(parte elástica = recuperable)


Ensayo oscilatorio

• Hay que hacer un barrido en frecuencia para obtener δ(ω) y G(ω)


Ensayo oscilatorio

Ventajas– Oscilaciones pequeñas:

no se estropea la estructura interna de la muestra

Inconvenientes– Barrido en frecuencias lleva su tiempo


Fuentesde error


Fuentes de error

• Exceso de muestra en vaso

Se lanza fueraparte del fluido:mayor cizalla

Exceso de peso(más inercia)despreciable


Fuentes de error

• Calentamiento por fricción a alta cizalla

– Si la muestra es poco conductora:– Aumentará su temperatura (fricción)– Por tanto, disminuirá su viscosidad


Fuentes de error

• Cambios físico-químicos en muestra

– Gelificación, endurecimiento, ...– Pérdida de disolvente, sedimentación


Fuentes de error

• Evaporación del disolvente

– Disminuir superficie abierta– Poner exceso de muestra– Cubrir el sistema de medida (se satura)


Fuentes de error

• Sedimentación de partículas

La sedimentaciónfrena el cilindro:aumenta el par

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