초록 ▼

본 연구에서는 drag reducing fluid가 원심력을 받으면서 쿠엣 혹은 포아제이유동을 할 때 생기는 유동불안정성에 관하여 실험적인 연구를 수행하였다. 유체의 탄성이 Dean유동을 안정화 혹은 불안정화 시킬 것인지의 문제를 200ppm 이내의 묽은 폴리아크릴아마이드 또는 잔탄검 용액을 대상으로 실험하였다. 폴리아크릴아마니드는 유연한 사슬, 잔탄검은 휘어지지 않는 사슬을 나타내므로 서로 다른 고분자의 특성을 검토하기에 적합하였다. 용매로는 증류수를 사용하였다. 먼저 뉴튼성유체인 증류수를 대상으로 실험하여 장치를 검증하였

본 연구에서는 drag reducing fluid가 원심력을 받으면서 쿠엣 혹은 포아제이유동을 할 때 생기는 유동불안정성에 관하여 실험적인 연구를 수행하였다. 유체의 탄성이 Dean유동을 안정화 혹은 불안정화 시킬 것인지의 문제를 200ppm 이내의 묽은 폴리아크릴아마이드 또는 잔탄검 용액을 대상으로 실험하였다. 폴리아크릴아마니드는 유연한 사슬, 잔탄검은 휘어지지 않는 사슬을 나타내므로 서로 다른 고분자의 특성을 검토하기에 적합하였다. 용매로는 증류수를 사용하였다. 먼저 뉴튼성유체인 증류수를 대상으로 실험하여 장치를 검증하였고, 그 결과는 비뉴튼성유체와의 비교시에도 이용하였다. 뉴튼성유체의 경우에는 최근 이론적으로만 발표된 결과를 처음으로 실험적으로 증명할 수 있었다. Drag reducing fluid의 경우 탄성은 유동을 불안정하며 임계점에서의 wave number가 작은 것으로 나타났으나 유동의 전이형태는 뉴튼성유체와 유사하였다. 또한 rigid chain인 잔탄검의 경우 coil overlap concentration으로 정규화한(normalized) 농도에 대하여도 폴리아크릴아마이드 용액에 비하여 유동을 더 불안하게 하는 것으로 나타났다. 이러한 두 종류의 고분자는 drag reducing 현상도 다르게 나타내는 것에 주의할 필요가 있다. 유체의 탄성이 Taylor유동을 안정화 혹은 불안정화 시킬 것인지의 문제를 여러종류의 Coutte cell에서 200ppm이내의 묽은 폴리아크릴아마이드 용액을 대상으로 실험하였다. 용매로는 증류수와 글리세린의 1:1혼합용액을 사용하였다. 먼저 뉴튼성유체인 용매를 대상으로 실험하여 장치를 검증하였고, 그 결과는 비뉴튼성유체와의 비교시에 이용하였다. 고분자 용액의 테일러유동의 경우에서도 쿠엣유동, 테일러와류, 파동운동, 난류의 과정을 거쳐 정성적으로는 뉴튼성유체와 같은 유동의 전이가 있음을 볼 수 있었으나, 농도가 진하여 짐에따라 뉴튼성유체와 유사한 결과를 보였다. 이러한 결과는 특히 gap distance가 작을 때 더 분명하게 나타났다. 본 연구의 결과는 이와 같이 마찰감소유체의 구성방정식의 검증에 이용될 수 있으며, 궁극적으로는 묽은 고분자 용액의 유변적 물성을 이해하는데 이용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼

In this research, experimental studies on the hydrodynamic instability of drag reducing fluids in the centrigugal field were performed. The effect of elasticity on Dean instability was investigated using dilute solution of polyacrylamide or xanthan gum with the solvent being distilled water. Since

In this research, experimental studies on the hydrodynamic instability of drag reducing fluids in the centrigugal field were performed. The effect of elasticity on Dean instability was investigated using dilute solution of polyacrylamide or xanthan gum with the solvent being distilled water. Since polyacrylamide and xanthan gum are known to be flexible and rigid in the aqueous solution, respectively, these two polymers should be appropriate for the examination of the flexibility of polymer chain. Distilled water was treated first for the validation of the experimental apparatus. The result was also used as the reference. The results on the Newtonian fluid confirmed the recent theoretical analysis. The results on the drag reducing fluid revealed that the fluid elasticity destabilized the flow and the wave number was smaller at the onset of instability. Generally, te pattern of transition to highly unstable flows was similar to the case of Newtonian fluids. Xanthan destabilized the flow more effectively than polyacrylamide even on the basis of coil overlap concentration. It should be noted that xanthan is more effective drag reducer than polyacrylamide. The effect of elasticity on Taylor instability was investigated using dilute solution of polyacrylamide with the solvent being 1:1 mixture of glycerine and water. The experiment was performed by using four Couette cells with varing gap distances. The validation of the experimental apparatus was performed by testing the Newtonian solvent. The results for the polymer solution showed that the trasition pattern from the normal Couette flow to the turbulent flow was the same as for the Newtonian solvent. The fluid elasticity distabilized the flow when the concentration was low. But as the concentration increased the result was much the same as the Newtonian case. The difference was larger for the narrow gap case. It is expected that the experimental result reported in this study could be used in discriminating the constitutive equations. The results will be of important in understing the solution rheology in depth.

목차 Contents

• 제 1 장. 서론...15
• 제 2 장. Dean's instability...20
• 2-1. 문제의 구성 및 안정성 해석...23
• 2-2 Dean's instability 실험...29
• 2-3. 결과 및 고찰...44
• 제 3 장. Taylor - Couette 유동...79
• 3-1. 안정성 해석...80
• 3-2. Taylor vortex 및 유동의 전이...86
• 3-3. 점탄성액체의 Taylor - Couette 유동...89
• 3-4. Taylor - Couette 실험장치...92
• 3-5. Taylor instability 실험결과 및 고찰...101
• 제 4 장. 연구결과종합...117
• References...119
• Plates...126