Viscoelastic liquid curtains

Rideaux liquides viscoélastiques : résultats expérimentaux sur l'écoulement d'une membrane de solution polymérique qui chute
Viscoelastic liquid curtains: Experimental results on the flow of a falling sheet of polymer solution
Antoine Gaillard, Matthieu Roché, Sandra Lerouge, Cyprien Gay, Luc Lebon, Laurent Limat (contacts)
J. Fluid Mech. 873 358-409 (2019) - doi - BibTeX
HAL (accepted version).

Abstract / Résumé

We experimentally investigate the extensional flow of a sheet-or curtain-of viscoelastic liquid falling freely from a slot at constant flow rate under gravity. Extruded liquids are aqueous solutions of flexible polyethylene oxide (PEO) and of semi-rigid partially hydrolysed polyacrylamide (HPAM) with low shear viscosities. Velocimetry measurements reveal that the mean velocity field U(z), z being the distance from the slot exit, does not reduce to a free-fall. More precisely, we show that the liquid falls initially with sub-gravitational accelerations up to a distance from the slot which scales as g τfil2 , where g is gravity and τfil is the extensional relaxation time of the liquid, beyond which the local acceleration reaches the asymptotic free-fall value g. The length of the sub-gravitational part of the curtain is shown to be much larger than the equivalent viscous length ((4η/ρ)2 /g) 1/3 for Newtonian liquids of density ρ and dynamic viscosity η, which is usually small compared to the length of the curtain. The elastic length g τfil2 can indeed be surprisingly large when adding high molecular weight polymer molecules to a low-viscosity Newtonian solvent. By analogy with Newtonian curtains, we show that the velocity field U(z) rescales on a master curve. Besides, we show that the flow is only weakly affected by the history of polymer deformations in the die upstream of the curtain. Furthermore, investigations of the curtain stability reveal that polymer addition reduces the minimum flow rate required to maintain a continuous sheet of liquid.

Nous investiguons expérimentalement l'écoulement élongationnel d'une membrane (ou rideau) liquide viscoélastique qui tombe librement d'une fente à débit constant sous l'effet de la gravité. Les liquides ainsi extrudés sont des solutions aqueuses de polyoxyéthylène (PEO) flexible et de polyacrylamide hydrolysé (HPAM) partiellement semi-rigide à faible viscosité. Les mesures de vélocimétrie révèlent que le champ de vitesse moyenne U(z), z étant la distance depuis la sortie de la fente, ne se résume pas à une chute libre. Plus précisément, nous montrons que le liquide tombe initialement avec une accélération sous-gravitaire jusqu'à une distance de la fente ui varie comme g τfil2 , où g est la gravité et τfil est le temps de relaxation extensionnel du liquide, au-delà duquel l'accélération locale atteint la valeur asymptotique g de chute libre. On montre que la longueur de la partie sous-gravitaire du rideau est bien plus grande que la longueur visqueuse correspondante ((4η/ρ)2 /g) 1/3 pour un liquide newtonien de densité ρ et de viscosité dynamique η, qui est habituellement petite comparée à la longueur du rideau. La longueur élastique g τfil2 peut en effet être étonnamment grande lorsqu'on ajoute des molécules polymères de haut poids moléculaire à un solvant newtonien de faible viscosité. Par analogie avec les rideaux newtoniens, nous montrons que le champ de vitesse U(z) se ramène à une courbe maîtresse. De plus, nous montrons que l'écoulement n'est que faiblement affecté par l'histoire des déformations du polymère dans le conduit en amont du rideau. Enfin, nos investigations sur la stabilité du rideau révèlent que l'ajout de polymère réduit le débit minimal requis pour maintenir la continuité de la membrane liquide.

 
publications/2019viscoelasticliquidcurtains.txt · Dernière modification: 2021/05/19 15:53 par cgay
 
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