Analysis of microchannel flows with yield-stress fluid

Abstract

In this paper, the flow of a polymer microgel, e.g. Carbopol, in microchannel was analyzed in consideration of the effect of microgel size and slip on the wall of microchannel. From the previous flow visualization experiment, we proposed a new system that channels can move in the opposite direction of flow. This not only shows the velocity of particles but also the overall pathlines at microchannel after fully-developed flow. With a new system and particle tracking velocimetry code, We conduct the study for two direction. First, we compare the velocity profiles obtained from flow visualizations and simulations in the mid-plane of the microchannel. Simulation with constitutive equation obtained from the rheological property did not coincide with velocity profile from visualizations. For example, the experimental results was slower than computation results near the wall. The reason for this phenomenon was explained by drawing pathlines of particles. Additionally, we suggest the method to find parameters for constitutive equations from the small-gap rheometry. When we compared with the results of flow visualization, it was reasonable. velocity profile from flow visualization. Second, we observe the effect of slip at wall on the velocity profiles. Unlike previous computation, which ruled out the effects of slip, the calculations proceeded with no slip condition. In our study, we consider both no slip condition and slip condition. For the fair comparison between experiment and computation results, we show that simulation with slip condition is close to the experimental results comparing with simulation with no slip condition. When we consider flow in the microchannel, we have to be careful on obtaining rheological property and considering slip condition.

이 연구에서는 벽에서의 슬립 현상과 미세 영역에서의 마이크로젤의 크기 비율로 인한 효과를 고려하여 마이크로 채널에서의 카보풀과 같은 고분자 용액의 흐름을 분석하고자 한다. 이전의 흐름 시각화 연구들에서 더 나아가, 마이크로 채널을 흐름의 반대 방향으로 움직일 수 있도록 새로운 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 입자의 흐름뿐만 아니라 마이크로 채널의 전반적인 내부 입자 이동경로 또한 관찰할 수 있다. 새로운 시스템과 입자 추적 속도 측정 코드를 가지고 두 가지 방향으로 연구를 진행했다. 첫 번째로, 기존 실험들과 같이 채널 중앙에서 흐름 시각화를 통해 구한 속도 프로파일과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 이 두 결과는 일치하지 않았고, 벽 근처에서의 실제 흐름 속도가 이론적으로 계산된 결과보다 느렸다. 이 현상의 이유를 채널 내부 흐름 속 형광입자의 이동경로를 통해 설명하였다. 추가적으로, 시뮬레이션을 통해 흐름 시각화의 속도 프로파일에 맞도록 피팅할 때, 적합한 파라미터를 레오미터 데이터로부터 찾아낼 수 있는 가능성을 제시하였다. 두 번째로, 벽면에서의 슬립으로 인해 속도 프로파일의 분포에 주는 영향을 보았다. 기존 연구에서는 슬립으로 인해 더 흘러간 유량만큼을 제하고 no slip condition으로 계산하였다. 각 높이에서의 속도를 구한 후, 시뮬레이션 결과와 흐름 시각화 속도 프로파일을 높이별로 비교해보았다. 이를 통해 슬립을 반영한 시뮬레이션 계산결과가 실제의 속도 프로파일을 비교적 알맞게 예측할 수 있다는 것을 파악했다. 작은 마이크로채널에서의 흐름을 예측하기 위해서는 작은 갭에서 구한 레오미터 파라미터를 활용하고 슬립을 고려해야한다.