Investigation of Flow and Agitation of non-Newtonian Fluids

Abstract

This work deals with the measurement of rheological properties of the purely viscous non-Newtonian fluid, prediction of friction factor, and power and flow characteristics of an in-line rotor-stator mixer. Firstly, a method is suggested for the evaluation of the rheological parameters for the power-law fluids using the rectangular channel and concentric annuli. According to the method, the relationship between wall shear rate and wall shear stress can be represented by one geometrical parameter for any aspect ratios. It has been shown that rectangular channels and concentric annulus can be used for the determination of rheological parameters the same as slit and capillary rheometers for the power-law fluids. The provided method is validated by comparing the most frequently used methods and through numerical simulations and it was found that the suggested method can predict friction factor accurately. Finally, the power characteristics and flow field of a newly designed in-line rotor-stator mixer have been analyzed experimentally and numerically according to the determined rheological parameters in the previous section. Initially, the power draw of the mixer has been measured experimentally for the three rotational speeds of the impeller and three different axial clearances of the mixer, and then obtained power draw results have been validated by numerical simulation, and a good agreement was found between the numerically and experimentally obtained power values. The Newtonian power draw coefficient has been calculated by numerical simulations and then, Metzner-Otto constants have been determined from the experimentally and numerically obtained power draw results. It was found that determined Metzner-Otto coefficients from the experimental and numerical methods are in good agreement. A slope method was proposed for the determination of the Metzner-Otto coefficient for the Herschel–Bulkley model and it was shown that the introduced method is successful for the prediction of the Metzner-Otto coefficient. In the final step, the effect of axial clearance on velocity and shear profile is discussed and it was found that axial clearance has a remarkable effect on flow profile on the agitated fluid in the mixer.

Disertační práce je zaměřena na zkoumání toku a procesu míchání čistě viskózních nenewtonských kapalin v režimu laminárního proudění. Reologické parametry zkoumané kapaliny (kolagenu z hovězích kůží) byly určeny prostřednictvím kapiláry s průřezem obdélníku a koncentrického prstence pro mocninný a Herschel – Bulkley modely. Pro výše zmíněné geometrie byla navržena nová metoda stanovení smykové viskozity kapalin popsaných mocninným modelem. Navržená metoda byla validována experimentálními a numerickými metodami. Bylo zjištěno, že navržená metoda s dostatečnou přesností stanovuje charakteristiky toku mocninové kapaliny. Navržená metoda byla použita pro predikci součinitele tření toku mocninných kapalin v nekruhových kanálech pomocí Reynoldsova čísla navrženého Metznerem a Reedem a byla navržena jednoduchá metoda pro rychlý výpočet součinitele tření mocninné kapaliny v laminárním režimu, zejména pro technické výpočty. Posléze byly experimentálně a numericky zkoumány výkonové a průtokové charakteristiky nově navrženého jednohřídelového rotor-stator směšovače pro Herschel – Bulkleyův model. Příkon směšovače byl měřen experimentálně a poté získané hodnoty příkonu byly validované pomocí numerických simulací. Koeficient příkonu a Metzner-Ottův koeficient byly stanovené z experimentálně a numericky získaných výsledků měření spotřeby energie a byla navržena nová metoda směrnice trendu, založená na Riegerově-Novákově metodě pro míchání viskoplastických tekutin v laminárním režimu. Byly diskutovány smykové a rychlostní profily ve směšovači, analyzované numerickými metodami, a také vliv geometrické konfigurace na rychlost, smyk a spotřebu energie.