Weissenberg-Rabinowitsch-Auswertung der mit dem Platte-Platte-Rotationsrheometer gemessenen Fließkurve mittels eines Fließgesetzes vom Carreauschen Typ

Zusammenfassung Basierend auf dem das Fließverhalten strukturviskoser Fluide sehr genau beschreibenden sogenannten Carreau-Ansatz wird eine Näherungsformel für die Drehmoment-Schergeschwindigkeit-Charakteristik (scheinbare Fließkurve) des Platte-Platte-Rotationsrheometers (PPR) im stationären Versuch vorgeschlagen. Die gewonnenen Resultate können in die Auswertungseinheit des Platte-Platte-Systems leicht integriert werden und damit das Anwendungsgebiet des PPR-Systems für konzentrierte Polymerlösungen und Polymerschmelzen beträchtlich erweitern.

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A new simplified, but very accurate, formula is proposed for the torque-rate characteristic (apparent flow curve) of the parallel-disk rotational rheometer (PDR) in steady-shear mode, based on the Carreau formula for the viscosity of pseudoplastic fluids. The results can easily be incorporated into the evaluation of the parallel-disk system and therefore the application field of the PDR-system can be extended considerably for concentrated polymer solutions and polymer melts.

     

Zur Rheometrie viskoelastischer Fluide mit der Kegel-Platte-Anordnung

Zusammenfassung Es wird das Schub- und Normalspannungsverhalten verschiedener konzentrierter Polymerlösungen bei stationärer Scherung mit einer offenen Kegel-Platte-Anordnung in einem Mechanischen Spektrometer der Firma Rheometrics Inc. untersucht. Dabei wird festgestellt, daß an der freien Oberfläche des Meßfluids im Randbereich Einschnürungen auftreten, wenn das Geschwindigkeitsgefälle einen charakteristischen Wert überschreitet. Durch Bestimmung der Temperatur an der freien Oberfläche mit einem Strahlungsthermometer wird eine Beanspruchungsgrenze ermittelt, ab welcher mit merklichen Temperaturerhöhungen gerechnet werden muß.Es wird gefunden, daß beim Anlaufvorgang bei Anwendung hinreichend hoher Geschwindigkeitsgefälle nach dem Überschwingen (overshoot) der Spannungen noch ein Unterschwingen (undershoot) erfolgt, das auf das Wirksamwerden von Verfestigungsmechanismen in dem strömenden Fluid zurückzuführen ist. Diese Strömungsverfestigung wird in den untersuchten Polymerlösungen immer dann beobachtet, wenn das Verhältnis von erster Normalspannungsdifferenz zu Schubspannung einen Wert von ca. 10 überschreitet. Dieser Effekt läßt sich besonders eindrucksvoll an Lösungen von hochmolekularem Polyisobutylen (Oppanol B 200) nachweisen. Unter Heranziehung von Ergebnissen anderer Autoren wird erläutert, wieso bei Dehn- und Scherströmungen zwar ein sehr unterschiedliches Fließverhalten vorliegt, trotzdem aber ganz ähnliche Verfestigungsphänomene — Aggregation, Kristallisation, Entmischung — auftreten können. Weiterhin wird der Einfluß des gewählten Lösungsmittels sowie der Temperatur auf den Spannungsverlauf untersucht.In einem Anhang wird aus der Schubspannung und der ersten Normalspannungsdifferenz eine signifikante Vergleichsspannung sowie der Orientierungswinkel berechnet. Bei Zugrundelegung dieser Größen wird die bekannte Tatsache, daß die erste Normalspannungsdifferenz erst dann dominierenden Einfluß auf das Fließverhalten gewinnt, wenn sie die Schubspannung wesentlich übersteigt, ohne weiteres verständlich.

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Summary The shear and normal stress behavior of several concentrated polymer solutions in steady shear flow is investigated by means of an open cone and plate arrangement of the Mechanical Spectrometer (Rheometrics Inc.) type. Deformations of the free gap surface are found if the shear rate is raised above a critical value. Sensitive temperature measurements of the liquid surface, carried out by means of a radiative pyrometer, yield a shear rate above which dissipation effects become appreciable.Start-up experiments in regions of sufficiently high shear rate show an additional undershoot after the initial overshoot. This undershot has to be attributed to mechanisms leading to a stiffening of the flowing liquid. Such a flow hardening can be observed in the investigated polymer solutions if the ratio of normal and shear stresses is of the order of 10 or more. It may be observed particularly impressively with concentrated solutions of a high molecular mass polyisobutylene (Oppanol B 200). From the results of other authors it is shown that elongational and shear flows despite their different kinematics, may produce similar hardening phenomena — aggregation, cristallisation, demixing. Furthermore, the influence of different solvents and temperature on the stress curves is discussed.In an appendix two quantities, a significant stress and an orientation angle are calculated from the shear and normal stresses. These quantities give an insight into the well known fact that the first normal stress difference has a dominating influence on the flow only when the normal stress difference is much greater than the shear stress.

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Erster Teil einer von der Abteilung Chemietechnik der Universität Dortmund genehmigten Dissertation; auszugsweise vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Dortmund vom 9.–11. März 1977.

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Mit 12 Abbildungen und 1 Tabelle     

Viscous properties of calcium carbonate filled polymer melts

Summary The viscous properties of calcium carbonate filled polyethylene and polystyrene melts were examined. The relative vircosity _r defined in the previous paper gave an asymtptotic value( _r)_l in the range of the shear stress below 10⁵ dyne/cm².( _r)_l of the calcium carbonate filled system was higher than that of the glass beads or glass balloons filled system at the same volume fraction of the filler. Maron-Pierce equation with ₀ = 0.44 was able to approximate the( _r)_l — relationship. However, it was deduced here that the high value of( _r)_l of calcium carbonyl filled system was due to the apparent increase of and this increase was attributed to the fixed polymer layer formed on the powder particle. By assuming the particle as a sphere with a diameter of 2 µm, the thickness of the fixed polymer layer was estimated as about 0.17 µm. The yield stress estimated from the Casson's plots increased exponentially with.

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Zusammenfassung Es wurden die viskosen Eigenschaften von Polyäthylen-und Polystyrol-Schmelzen untersucht, die mit Kalziumkarbonat-Teilchen gefüllt waren. Für die relative Viskosität _r, wie sie in einer vorangegangenen Veröffentlichung definiert worden war, ergab sich bei Schubspannungen unterhalb 10⁵ dyn/cm² ein asymptotischer Wert( _r)_l. Dieser war bei den mit Kalziumkarbonat gefüllten Schmelzen höher als bei Schmelzen, die bis zur gleichen Volumenkonzentration mit Glaskugeln oder Glasballons gefüllt waren. Die ( _r) _l —-Abhängigkeit ließ sich durch eine Gleichung nachMaron und Pierce mit ₀ = 0,44 beschreiben. Es wurde jedoch geschlossen, daß der hohe( _r)_l-Wert der mit Kalziumkarbonat gefüllten Schmelzen auf eine scheinbare Zunahme von zurückzuführen ist, verursacht durch eine feste Polymerschicht auf der Teilchenoberfläche. Unter Annahme kugelförmiger Teilchen mit einem Durchmesser von 2 µm ließ sich die zugeordnete Schichtdicke zu 0,17 µm abschätzen. Die mittels der Casson-Beziehung geschätzte Fließspannung ergab eine exponentielle-Abhängigkeit.

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With 7 figures and 1 table     

Zur Berechnung des Wärmeübergangs bei einphasiger freier Konvektion in der Nähe des kritischen Zustandes

Zusammenfassung Experimentelle Ergebnisse zum überkritischen Wärmeübergang weisen für den Zustandsbereich nahe dem kritischen Punkt zum Teil große Abweichungen von der für unterkritische Fluide bekannten Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmestromdichte auf. Am Beispiel des Kältemittels RC318 (C₄F₈) wird gezeigt, daß auch diese Ergebnisse mit den bekannten Beziehungen zwischen der Nußelt-, der Grashof- und der Prandtl-Zahl beschrieben werden können, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient und die spezifische Wärme in Gr bzw. Pr durch Differenzenquotienten ersetzt und zwei zusätzliche Parameter zur Beschreibung der Dichteänderung innerhalb der beheizten Fluidzone eingeführt werden. Da ein Teil der in den Kennzahlen benötigten Stoffwerte von RC318 im interessierenden Zustandsbereich nicht bekannt ist, werden die fehlenden Stoffwerte mit Hilfe des allgemeinen Korrespondenzprinzips berechnet.

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Calculation of free convective heat transfer near the critical state

For certain conditions free convective heat transfer from horizontal tubes to fluids near the critical state differs widely from the well-known dependency of heat transfer coefficient from heat flux. It is shown that experiments with refrigerant RC318 (C₄F₈) even for these conditions can be described by one of the often applied relationships between Nusselt and Rayleigh numbers, if the special form of density variation within the heated region of the fluid is taken into account. Most of the thermophysical properties of RC318 being unknown near the critical state, thermodynamic similarity considerations are used to calculate these data.

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Formelzeichen F Korrekturfaktor - R individuelle Gaskonstante - T Temperatur - Z Realfaktor - Gr, Nu, Pr Kennzahlen - a Temperaturleitzahl - c_v, C_p spezifische Wärme - d Rohrdurchmesser - g Erdbeschleunigung - h spezifische Enthalpie - m Molekülmasse - p Druck - q Wärmestromdichte - u innere Energie - v spezifisches Volumen - Wärmeübergangskoeffizient - _k Riedel-Parameter - thermischer Ausdehnungskoeffizient - Realanteil - Differenz zwischen einer Zustandsgröße des Fluids an der Heizwand und außerhalb der beheizten Zone - Asymmetrieparameter - Viskosität, dynamische - Wärmeleitzahl - Viskosität, kinematische - Dichte Indizes-hochgestellt normierte Größe - * auf den Wert am kritischen Punkt normierte Größe - 0 im Zustand des idealen Gases Indizes-tiefgestellt B, + Bezugswert - f Fluid außerhalb der beheizten Zone - k am kritischen Punkt - W an der Wand Herrn Professor Dr.-Ing. H. Glaser, Stuttgart, zum 70. Geburtstag gewidmet.Die Autoren danken Herrn Prof. Dr. K. Bier für die unterstützung der Arbeit und für wertvolle Diskussionsbeiträge.     

Oberflächenspannung von leichtem und schwerem Wasser

Zusammenfassung Für die Oberflächenspannung von leichtem Wasser wurde von der Arbeitsgruppe III der International Association for the Properties of Steam eine Rahmentafel und eine einfache Interpolationsgleichung erarbeitet und als internationaler Standard empfohlen. Die Rahmentafel basiert auf allen bekannten Messungen der Oberflächenspannung, die einzelnen Meßreihen wurden entsprechend der Meßgenauigkeit gewichtet. Die Form der Interpolationsgleichung läßt sich physikalisch begründen. Sie stellt einen erweiterten Ansatz nach van der Waals dar, wobei der Exponent der Gleichung mit den Scaling-Laws in Übereinstimmung ist. Weiter wird für den praktischen Gebrauch eine einfache Beziehung für den Laplace-Koeffizienten und die Dichtedifferenz zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase von leichtem Wasser angegeben.Für schweres Wasser kann die gleiche Form der Interpolationsgleichung verwendet werden, deren Koeffizienten angegeben sind. Allerdings beruht diese Gleichung nur auf einer Meßreihe.

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Surface tension of normal and heavy water

A Skeleton Table and simple interpolation equation for the surface tension of light water was developed by the Working Group III of the International Association for the Properties of Steam and is recommended as an International Standard.The Skeleton Table is based on all known measurements of the surface tension and individual data were weighted corresponding to the accuracy of the measurements. The form of the interpolation equation is based on a physical concept. It represents an extension of van der Waals-equation, where the exponent conforms to the Scaling Laws. In addition for application purposes simple relations for the Laplace-coefficient and for the density difference between the liquid and gaseous phases of light water are given. The same form of interpolation equation for the surface tension can be used for heavy water, for which the coefficients are given. However, this equation is based only on a single set of data.

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Formelzeichen A Oberfläche - B_o Koeffizient - F freie Energie - S Entropie - T Temperatur - T_K kritische Temperatur - U innere Energie - V Volumen - W Arbeit - a Laplace-Koeffizient - a, a_O Koeffizient - b, b₁ Koeffizient - c Koeffizient - g Erdbeschleunigung - Exponent der isochoren Wärmekapazität - Exponent der Koexistenzkurve - Exponent des Laplace-Koeffizienten - Exponent der Korrelationslänge - Exponent der Oberflächenspannung - Exponent der Oberflächenspannung - reduzierte Temperaturdifferenz - Korrelationslänge - Dichte der flüssigen Phase - Dichte der gasförmigen Phase - _o KoeffizientM     

Beitrag zur Prüfung metallischer Werkstoffe im Torsionsversuch

Zusammenfassung Der Torsionsversuch eignet sich zur Untersuchung des plastischen Verhaltens von Metallen bei erhöhten Temperaturen, wenn die Fließspannung stark von der Umformgeschwindigkeit abhängt. Aus der gemessenen Drehmoment-Drehwinkel-Kurve wird die Fließkurvek _f () berechnet. Hierfür wird ein Fließkriterium benötigt, dessen Unsicherheit im allgemeinen größer ist als alle Meßfehler. Diese Unsicherheit geht aber nicht in die berechnete Dehngeschwindigkeitsempfindlichkeit ein, die somit als Hauptergebnis des Versuches anzusehen ist.Um die Bedingungen technischer Warmumformung zu simulieren, wird die Verwendung extrem kurzer Proben (flacher Scheiben) empfohlen, womit sehr hohe Umformgeschwindigkeiten erreicht werden können. Für die Auswertung derartiger Versuche ist die wirksame Länge der kurzen Proben — experimentell oder semiempirisch — zu bestimmen und die Kerbwirkung zu berücksichtigen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Vorgehensweise wird empfohlen, die örtliche Spannung und Verzerrung nicht für die Mantelfläche der Probe zu berechnen, sondern für einen kritischen Radialabstand im Innern der Probe, für den die Schiebung von der Kerbwirkung unabhängig ist, so daß sich die zuverlässigsten Werte ergeben.

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Summary The torsion test is often used for studying the plastic deformation of metals at elevated temperatures when stress depends strongly on the strain rate. From the measured torque-twisting angle curve, the stress-strain curvek _f () has to be calculated. For this purpose a yield criterion has to be used the uncertaintly of which normally exceeds all experimental errors. This uncertaintly, however, does not propagate into the calculated strain rate sensitivity which therefore may be considered as the main result of the torsion test.For simulating the conditions of technical hot forming processes, the use of extremely short test pieces (flat discs) by which very high strain rates can be obtained is recommended. For evaluating the test data the efficient lenght of short specimens has to be determined. In opposition to the conventional procedure of test evaluation, it is recommended not to calculate stress and strain for the surface of the specimen but for a critical radius for which strain is independent of the notch effect so that the most reliable values are obtained.

Mit 5 Abbildungen     

Abkühlungscharakteristik einer gut wärmeleitenden Platte,die bei der Bewegung durch ein Fluid gestreckt wird

Zusammenfassung Das Abkühlungsverhalten einer gut wärmeleitenden Platte, die durch ein Fluid bewegt und dabei nach einem beliebigen Potenzgesetz gestreckt wird, wurde untersucht. Der Impulstransport wird dabei durch eine Gleichung beschrieben, die der Falkner-Skan-Gleichung mit einem Parameter für die Dehnung ähnelt. Für das thermische Problem wurden bezüglich des Ortes ähnliche Lösungen gefunden, die sowohl für kleine als auch große Werte des Fließabstandes gültig sind. Die Konvergenz der Reihen für kleine-Werte konnte durch die Euler-Transformation verbessert werden, so daß die Ergebnisse für alle-Werte Gültigkeit haben.

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The cooling of a low heat resistance stretching sheet moving through a fluid

The cooling characteristics of a low-heat-resistance sheet moving through a fluid have been studied for arbitrary power law stretching. The momentum transfer is governed by an equation that resembles the Falkner-Skan equation with stretching as a parameter. For the thermal problem, locally similar solutions have been obtained for small and large values of the streamwise distance. The convergence of low series has been improved by Euler transformation to yield results valid for all values of.

     

Wärmeleitfähigkeit von teilweise dissoziiertem Joddampf

Zusammenfassung Die Wärmeleitfähigkeit des Systems J₂2 J wurde experimentell und theoretisch im Bereich 400 °K<T<1200 °K und 10 Torr<p<380 Torr untersucht. Unter Verwendung des Begriffs der Diffusionslänge wurde eine Theorie entwickelt, welche die Wärmeleitfähigkeit in Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen zu berechnen gestattet.

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Thermal conductivity of partially dissociated iodine vapour

The thermal conductivity of the system J₂ 2 J has been studied experimentally and theoretically in the range 400 °K<T<1200 °K and 10 Torr<p<380 Torr. Starting from the definition of the diffusion length a theory is presented which describes the thermal conductivity in agreement to the experimental results.

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Bezeichnungen ₀ gaskinetische Wärmeleitfähigkeit - _D Dissoziationsanteil der Wärmeleitfähigkeit, Gleichgewichtswert - gesamte Wärmeleitfähigkeit - Gesamtdichte - W _p molare Dissoziationsenthalpie - p Gesamtdruck - D Diffusionskoeffizient - Dissoziationsgrad - K _p Massenwirkungskonstante des Systems J₂2 J - R allg. Gaskonstante - T abs. Temperatur - Z ₃ Zahl der Dreierstöße je Zeiteinheit - Z ₂ Zahl der Zweierstöße je Zeiteinheit - Moleküldurchmesser - mittlere Geschwindigkeit - mittlere freie Weglänge - S Diffusionslänge - Relaxationszeit - r ₂ Radius des Heizdrahtes mit Quarzmantel - r ₁ Meßzellenradius - l Länge der Meßzelle - Molenbruch des einatomigen Jodes - , ₁₀ Gleichgewichtswert von - c molare Gesamtkonzentration - c _v molare Wärmekapazität - M Molmasse - ₂₀ Molenbruch des zweiatomigen Jodes, Gleichgewichtswert - ₃ Molenbruch des Xenons - c ₁,c ₂,c ₃ molare Konzentration von J, J₂, Xe - k ₁,k ₂, ...,k ₆ Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten - /k Wechselwirkungsparameter des Lennard-Jones-Potentials - Viskosität Mitteilung aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt     

Eine analytische Näherungslösung für die eingefrorene laminare Grenzschichtströmung eines binären Gemisches

Zusammenfassung Für die eingefrorene laminare Grenzschichtströmung eines teilweise dissoziierten binären Gemisches entlang einer stark gekühlten ebenen Platte wird eine analytische Näherungslösung angegeben. Danach läßt sich die Wandkonzentration als universelle Funktion der Damköhler-Zahl der Oberflächenreaktion angeben. Für das analytisch darstellbare Konzentrationsprofil stellt die Damköhler-Zahl den Formparameter dar. Die Wärmestromdichte an der Wand bestehend aus einem Wärmeleitungs- und einem Diffusionsanteil wird angegeben und diskutiert. Das Verhältnis beider Anteile läßt sich bei gegebenen Randbedingungen als Funktion der Damköhler-Zahl ausdrücken.

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An analytical approximation for the frozen laminar boundary layer flow of a binary mixture

An analytical approximation is derived for the frozen laminar boundary layer flow of a partially dissociated binary mixture along a strongly cooled flat plate. The concentration at the wall is shown to be a universal function of the Damkohler-number for the wall reaction. The Damkohlernumber also serves as a parameter of shape for the concentration profile which is presented in analytical form. The heat transfer at the wall depending on a conduction and a diffusion flux is derived and discussed. The ratio of these fluxes is expressed as a function of the Damkohler-number if the boundary conditions are known.

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Formelzeichen A Atom - A₂ Molekül - C Konstante in Gl. (20) - c₁=1/(2C) Konstante in Gl. (35) - c_p spezifische Wärme bei konstantem Druck - D binärer Diffusionskoeffizient - Ec=u ² /(2h_f) Eckert-Zahl - h spezifische Enthalpie - h_t=h+u²/2 totale spezifische Enthalpie - h _A ⁰ spezifische Dissoziationsenthalpie - K_w Reaktionsgeschwindigkeitskonstante der heterogenen Wandreaktion - 1= /( ) Champman-Rubesin-Parameter - Le=Pr/Sc Lewis-Zahl - M Molmasse - p statischer Druck - Pr= c_pf/ Prandtl-Zahl - q_w Wärmestromdichte an der Wand - q_cw, q_dw Wärmeleitungsbzw. Diffusionsanteil der Wärmestromdichte an der Wand - universelle Gaskonstante - R=/(2M_a) individuelle Gaskonstante der molekularen Komponente - Re_x= u x/ Reynolds-Zahl - Sc=/( D) Schmidt-Zahl - T absolute Temperatur - T_d=h _A ⁰ /R charakteristische Dissoziationstemperatur - u, v x- und y-Komponenten der Geschwindigkeit - U=u/u normierte x-Komponente der Geschwindigkeit - x, y Koordinaten parallel und senkrecht zur Platte Griechische Symbole - =A/ Dissoziationsgrad - Grenzschichtdicke - ₂ Impulsverlustdicke - Damköhler-Zahl der Oberflächenreaktion - =T/T normierte Temperatur - =y/ normierter Wandabstand - Wärmeleitfähigkeit - dynamische Viskosität - , ^* Ähnlichkeitskoordinaten - Dichte - Schubspannung Indizes A auf ein Atom bezogen - M auf ein Molekül bezogen - f auf den eingefrorenen Zustand bezogen - w auf die Wand bezogen - auf den Außenrand der Grenzschicht bezogen     

Extensional primary field approximations for viscoelastic media

Summary TheTrouton ratio, defined as the ratio of the extensional to the shear viscosity, may reach very high levels in viscoelastic media. Consequently the diagonal components of the deformation rate tensor, often of negligible importance in the analysis of flows ofNewtonian fluids, may be of primary interest here. Several significant phenomena unknown inNewtonian fluid mechanics are seen to have their origin in the tensile normal stresses generated by these extensional deformations of viscoelastic fluid media; they include the separation of particles or bubbles in accelerating flows (the Uebler effect), the operability of ductless siphons (Spinnbarkeit) and, probably, turbulent drag reduction.A class of problems which may be treated by neglecting the usual shearing deformation rates and shearing stresses, and considering only the extensional behaviour of the medium, is identified. These problems are characterized by high values of the dimensionless elongation rate, defined as the product of the local extension rate and the natural time of the fluid. As this dimensionless group frequently reaches its highest levels in the primary fluid stream outside a boundary layer this approximation is termed an Extensional Primary Field or EPF approximation to focus attention on the primary or outer flow, as distinguished from flows in the vicinity of solid surfaces.The EPF approximation appears to provide a sufficient basis for analysis of several problems: converging flows into an orifice or duet from a larger reservoir, flows through porous solids and elongational flows with free surfaces as in textile fiber-spinning operations and flow in ductless siphons. In several other problems — lubricant squeeze films, turbulent flows under drag reducing conditions and flows about submerged objects — EPF considerations appear to be of importance but may not control the entire problem. The potential importance of EPF considerations in treating fluid mechanically controlled crystallization processes is noted.

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Zusammenfassung Das Trouton-Verhältnis als Verhältnis von Dehnzu Scherviskosität, kann bei viskoelastischen Stoffen sehr hohe Werte erreichen. Das hat zur Folge, daß die bei Newtonschen Flüssigkeiten oft vernachlässigbaren Diagonalgliedern des Schergeschwindigkeitstensors hier sehr bedeutungsvoll werden können. Einige wesentliche bei Newtonschen Flüssigkeiten unbekannte Effekte lassen sich auf diese Normalzugspannung zurückführen. Hierzu gehören die Trennung von Teilchen oder Blasen in beschleunigten Fließvorgängen (Uebler-Effekt) die Spinnbarkeit sowie vermutlich die Turbulenzverminderung.Es wird eine Klasse von Problemen angesprochen, die bisher nur bei Berücksichtung des Dehnverhaltens behandelt wurden, während der Einfluß von Scherspannung und -geschwindigkeit vernachlässigt wurde. Diese Probleme sind durch hohe Werte der dimensionslosen Deformationsgeschwindigkeit charakterisiert. Die dimensionslose Darstellung wird durch das folgende Produkt definiert: örtliche Dehnungsgeschwindigkeit mal Eigenzeit der Flüssigkeit. Da diese dimensionslose Größe ihren höchsten Wert häufig in einem Primärstrom außerhalb einer Grenzschicht erreicht, wird diese Näherung EPF-Approximation (Extensional Primary Field) genannt, um auf den primären oder äußeren Fluß hinzuweisen, der von Fließerscheinungen in der Nähe fester Oberflächen zu unterscheiden ist.Die EPF-Näherung scheint eine hinreichende Grundlage für verschiedene Probleme zu bieten wie zum Beispiel für den Ausfluß aus einem Vorratsbehälter in eine Einmündung oder eine Röhre; Fließen durch poröse Festkörper, Fließen bei Dehnerscheinungen mit freier Oberfläche wie z. B. bei Spinnprozessen und Fließen in Siphons. In anderen Fragestellungen sind die EPFLösungen zwar von Einfluß, jedoch nicht entscheidend, wie z. B. bei Schmierfilmen, turbulenten Fließerscheinungen bei Verminderung der inneren Reibung sowie beim Fließen über eingetauchte Körper. Weiterhin wird auf die mögliche Bedeutung von EPF-Betrachtungen bei Kristallisationsprozessen, die aus der flüssigen Phase erfolgen, hingewiesen.

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Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen in Bad Münster a. Stein vom 28.–30. Mai 1969.     

Das anomale Fließverhalten von Polyäthylen hoher Dichte

Zusammenfassung Das anomale Strömungsverhalten von Polyäthylen hoher Dichte (HDPE) wird mit Hilfe eines Kapillar-Rheometers am Beispiel der Strömung durch Düsen mit Kreisquerschnitt untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung werden in Form scheinbarer Fließkurven dargestellt. Es wird der Einfluß der Temperatur, der Oberflächenbeschaffenheit der Düse, der Düseneinlauf-Geometrie, des Druckniveaus und der Zugabe von Zusatzstoffen (Stabilisator, Holzmehl) auf den Verlauf der scheinbaren Fließkurve untersucht. Es kann gezeigt werden, daß die bei diesem Material besonders ausgeprägt auftretenden Fließanomalien nicht wie bei anderen Polymertypen (wie z. B. LDPE, PS, PP) auf Vorgänge im Düseneinlauf beruhen, sondern auf eine Änderung der Fließeigenschaften der Kunststoffschmelze im Bereich der Düsenwand zurückzuführen sind. Diese Änderung der Fließeigenschaften führt in der Düse zu einem Gleiten bzw. zu Haft-Gleierscheinungen. Visuelle Untersuchungen, bei denen die Lage- und Gestaltänderungen farbig markierter Proben beobachtet werden, bestätigen diese Ergebnisse.

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Summary The anomalous flow behaviour of high density polyethylene melts (HDPE) is studied with a capillary rheometer. The results are described in form of apparent flow curves. The investigation shows the influence of melt temperature, die surface condition, die entrance geometry, pressure niveau, and content of additives (stabilizer, saw dust) on the appearance of the apparent flow curve. It is shown that the anomalous flow behaviour of this kind of polymer melt is not caused by die entrance effects as it is for other polymer melts (e.g. LDPE, PS, PP). The anomalous flow behaviour can be related on a change in the flow properties of the HDPE-melt in the vicinity of the die wall. This change in the rheological properties causes slip or stick-slip, respectively, at the die wall. Flow visualization experiments confirm the results.

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Auszugsweise vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft in Berlin vom 8.–10. Mai 1978.

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Mit 27 Abbildungen und 1 Tabelle

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Herrn Prof. Dr.-Ing.G. Schenkel zum 65. Geburtstag gewidmet     

Kritische Drehzahlen und Biegeschwingungen kontinuierlich besetzter Wellen bei verschiedenen Lagerungen

Zusammenfassung Für eine gleichmäßig kontinuierlich besetzte Welle konstanter Biegesteifigkeit werden die kritischen Drehzahlen des synchronen Gleich- und Gegenlaufs und die Eigenfrequenzen der Biegeschwingungen berechnet, und zwar für vier verschiedene Lagerungsarten (fliegend gelagerte Welle; zweifach kugelig gelagert; ein Wellenende eingespannt, das andere kugelig gelagert: zweifach eingespannt). Die genauen Ergebnisse für die Grundfrequenz bis einschließlich der dritten Oberfrequenz sind graphisch dargestellt und lassen den Einfluß der Trägheitsmomente und der Lagerungsart erkennen. Für die höheren Frequenzen werden Näherungsformeln mitgeteilt, so daß das gesamte Frequenzspektrum erfaßt wird.Vorliegende Arbeit entstand auf Anregung von Prof. Dr. H. Neuber, Lehrstuhl für Technische Mechanik der Technischen Hochschule München.     

Über eine Anwendung der Hillschen Minimalbedingung in der Plastizitätstheorie

Zusammenfassung Auf dem gezeigten Weg wurden die Spannungen _r , , _z berechnet, wobei an Stelle der Veränderlichen r und die dimensionlosen Größen x _i = r _i /, x=r/ und x _a = r/ in die Rechnung eingeführt wurden. Die Funktion (r, ) wurde dann für den Bereich 0,45x_i1,0, 1x_a 2 tabuliert. Hierbei zeigte sich, daß der Rechenaufwand bei der Durchrechnung eines Einzelbeispiels nach der Charakteristikenmethode wesentlich geringer ist. Bei der Anlage von Zahlentafeln zur Berechnung von Spannungen für beliebige Durchmesserverhältnisse ergab sich, daß der aufgezeigte Wege zu geringerem Rechenaufwand führt. Für das Beispiel r _i /r _a=1/2 wurden die Rohraufweitungen bestimmt und diese Werte noch durch praktische Versuche nachgeprüft. Hierbei ergab sich, daß die theoretisch bestimmten Rohraufweitungen in dem Streubereich der gemessenen Rohraufweitungen lagen, wobei Messungen an drei Rohren aus demselben Material und demselben Rohrverhältnis durchgeführt wurden. Insbesondere stimmten die theoretischen Rohraufweitungen auch mit den gemessenen Rohraufweitungen überein, wenn das Rohr entlastet wurde und die Restdeformationen bestimmt wurden.Daraus kann geschlossen werden, daß durch die berücksichtigte lineare Verfestigung die tatsächlichen Verhältnisse außerordentlich gut erfaßt werden.Der sogenannte Platzdruek eines Rohres kann auf rein rechnerischem Weg nicht erfaßt werden, da für =r_a die geometrische Gestalt des Rohres instabil wird. Bei den Versuchen zeigt sich, wenn der Innendruck über p _i ( =r **** _a ) gesteigert wird, daß das Rohr schon bei geringen Überschreitungen aufzubauchen beginnt.Meinem Lehrer Herrn Prof. Dr. Dr. R. Grammel zum 65. Geburtstag gewidmet.     

Anlaufkorrektur und Elastizität bei der Kapillarströmung von Lösungen

Zusammenfassung Aus der Anlaufkorrektur kann man nach einer Rechnung vonFromm, die auf dem Maxwellschen Modell basiert, eine Relaxationszeit und eine korrigierte Viskosität _c ermitteln. Der Quotient _c/ stellt einen Schermodul dar. Diese Größe wird für Lösungen von Cellulosetrinitrat in Butylacetat, Polyvinylacetat in Dioxan, Polystyrol in Toluol, Polyacrylamid in Wasser, und Viskose, in Abhängigkeit von der Konzentrationc und dem SchergefälleD ermittelt. Es zeigt sich, daß _c/ etwa im Wendepunkt der Fließkurven eine Art Plateau oder ein flaches Maximum zeigt und in diesem Plateaubereich eine lineare Abhängigkeit von der Konzentration. Die absolute Größe von _c/ ist jedoch um Größenordnungen geringer, als sie nach der Formel vonRouse bzw.Bueche für die erste Relaxationszeit eines Verhängungsnetzwerkes zu erwarten wäre. Das wird so gedeutet, daß bei dem hohen Schergefälle, das bei den Messungen herrschte (D etwa 10⁴ sec^–1), ein Teil der Verhängungen zerstört ist, wodurch die Relaxationszeit vergrößert und der Schermodul verkleinert wird.

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Summary From the end-correction, according to a calculation byFromm based upon theMaxwell-model, a relaxation time and a corrected viscosity _c can be obtained. The quotient _c/ represents a shear modulus. Its value is determined for solutions of cellulosetrinitrate in butylacetate, polyvinylacetate in dioxane, polystyrene in toluene, polyacryloamide in water, and viscose, in dependence of concentrationc and shear rateD. It is found, that _c/ shows a plateau or a flat maximum at the inflection point of the flow curves. In this range, a linear dependence on concentration is found too. The absolute value of _c/, however, is smaller by orders of magnitude than that to be expected for the first relaxation time of an entanglement network according to the formulas byRouse resp.Bueche. This is explained by a partial disruption of entanglements in the high shear rate prevailing at the experiments (D about 10⁴ sec^–1), which effects an increase of the relaxation time and a decrease of the shear modulus.

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Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen in Bad Ems vom 18.–19. Mai 1967.     

Experimental and numerical analysis of oscillatory tube flow of viscoelastic fluids represented at the example of human blood

Summary The 4 constant parameters of an Oldroyd type constitutive equation for normal human blood of 45% haematocrit were determined by means of the steady flow curve and the material functions () and (), measured at 2 Hz in an oscillatory capillary viscometer. It was found, as other authors did before, that the phenomenological behaviour of blood flow can be reproduced qualitatively thereby. The quantitative behaviour, however, cannot be described by thus developed parameters. The parameters of the constitutive equationµ ₀, ₁ and ₂ were therefore generalized to become dependent of shear rate and frequency respectively.In itself this is nothing but a transformation of the material functions ( ),() and (), but these can be used as parameters in a constitutive equation though having lost the property of constancy.In this way the linear region of viscoelasticity and the steady flow curve can be reproduced quantitatively. A computer simulation of oscillatory flow for large amplitudes shows another tendency for the phase shift between pressure and flow than the experiment in the oscillatory capillary rheometer does.The applicability of a constitutive equation modified in this manner for other than oscillatory flow should be further examined especially for pulsatile flow.

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Zusammenfassung Mit Hilfe der Fließkurve für die stationäre Strömung und Messungen der Materialfunktion () im Oszillations-Kapillarrheometer bei 2 Hz wurden die Konstanten der 4-Konstanten-Oldroyd-Stoffgleichung für gesundes Humanblut von 45% Hämatokrit bestimmt. Es zeigte sich, daß sich — wie auch schon von anderen Autoren mitgeteilt wurde — mit den so ermittelten Modellkonstanten die Phänomenologie des Fließverhaltens des Blutes qualitativ gut beschreiben läßt. Zur quantitativen Beschreibung reicht dieses Modell jedoch nicht aus, wie man an der Wiedergabe der stationären Fließkurve und der Materialfunktionen der linearen Viskoelastizität erkennt. Aus diesem Grund wurden die Parameterµ ₀, ₁ und ₂ in Abhängigkeit der Schergeschwindigkeit bzw. der Frequenz angesetzt.Dies bedeutet zunächst nichts anderes als eine Transformation der Materialfunktionen, jedoch in einer Art, daß letztere als Parameter in einer Stoffgleichung verwendet werden können, was allerdings mit dem Verlust der Konstanz der Parameter verbunden ist. Mit einer derart modifizierten Stoffgleichung lassen sich der Bereich der linearen Viskoelastizität und die stationäre Fließkurve quantitativ beschreiben. Eine Computersimulation der oszillierenden Rohrströmung zeigt für große Amplituden eine andere Tendenz für die Phasenverschiebung zwischen Druck und Volumenstrom, als sie sich bei Messungen am Oszillations-Kapillarrheometer ergibt.Die Anwendbarkeit der modifizierten Stoffgleichung für andere Strömungsformen, wie z.B. pulsierende Rohrströmungen, muß noch geprüft werden.

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Paper, presented at the Annual Conference of the Deutsche Rheologische Gesellschaft in Berlin, May 8–10, 1978.

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With 8 figures     

Some observations on the rheological behaviour of dense suspensions

Summary A review is given of current knowledge of the rheology of solid-liquid mixtures of very high solids concentrations, including unsaturated systems. Their behaviour is traced to viscous behaviour of fluids and granular behaviour of particulate solids, and termed granuloviscous. Various features of granulo-viscous behaviour are described: stick-slip, changes in flow curve, packing density variation, wall effects, behaviour of highly flocculated materials, liquefaction, and influence of normal stress. Theoretical work that exists in the literature is referred to, but it would seem that granuloviscous behaviour is open for fundamental research.

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Zusammenfassung Es wird ein Überblick über den gegenwärtigen Kenntnisstand in der Rheologie von Feststoff-Flüssigkeits-Mischungen mit sehr hohen Feststoff-Konzentrationen einschließlich ungesättigter Systeme gegeben. Ihr Verhalten wird sowohl zum viskosen Verhalten von Flüssigkeiten als auch zum Granulat-Verhalten körniger Feststoffe in Beziehung gesetzt und als granulo-viskos bezeichnet. Verschiedene Merkmale des granulo-viskosen Verhaltens werden beschrieben: Haft-Gleit-Phänomene, Veränderungen der Fließkurve, Variation der Packungsdichte, Wandeffekte, Verhalten von hochgradig ausgeflockten Stoffen, Verflüssigung und Einfluß der Normalspannungen. In der Literatur vorgefundene theoretische Untersuchungen werden ebenfalls erwähnt, doch es scheint, daß das granuloviskose Verhalten noch auf eine grundlegende Erforschung wartet.

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With 5 figures     

A possible mechanism for stabilizing elongational flow in certain polymeric liquids at constant temperature and composition

Summary A new calculation of the stability of elongational flow of a liquid filament is based on an idealized treatment of the effects of non-uniformity of filament diameter. Two uniform cylindrical filaments of different initial cross-sectional areas are connected by a fictitious deformable clamp which transmits tensile force without interfering with the assumed homogeneous elongational flow of each filament. A uniform tensile force is suddenly applied and kept constant. For a Newtonian liquid, the area ratio rapidly tends to infinity. For a rubberlike liquid, the area ratio at first increases but then becomes constant; this suggests that finite deformation of a Gaussian molecular network may provide a possible mechanism for spinnability at constant temperature and composition.

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Zusammenfassung Eine neuartige Berechnung der Stabilität des Dehnungs-Fließverhaltens wird auf einer idealisierten Behandlung des Einflusses der Ungleichförmigkeit des Fadendurchmessers aufgebaut. Das Modell besteht aus zwei gleichförmigen zylindrischen Fäden von verschiedenem Ausgangsquerschnitt mit einer fiktiven Verbindung, die Zugkräfte überträgt ohne die angenommenen homogenen Dehnungs-Fließzustände der beiden Fäden zu beeinträchtigen. Eine konstante Zugkraft wird gleichförmig und sprungartig aufgebracht. Für eine Newtonsche-Flüssigkeit geht das Verhältnis der Fadenquerschnitte sehr schnell gegen unendlich. Für eine gummiartige Flüssigkeit nimmt das Verhältnis zuerst zu, bleibt dann aber konstant. Das erlaubt den Schluß, daß endliche Deformation eines Gauss schen molekularen Netzwerks einen möglichen Mechanismus für die Spinnbarkeit bei konstanter Temperatur und Zusammensetzung zu liefern vermag.

     

Numerische Untersuchung des elastisch-plastischen Verhaltens eines Fadenverbundwerkstoffes mit metallischer Matrix Eine Fallstudie

Übersicht Die Fehlervorhersage eines einachsigen Fadenverbundwerkstoffes mit metallischer Matrix erfordert die Kenntnis des nichtlinearen elastisch-plastischen Verhaltens in mikroskopischer Abmessung. Als Fallstudie wurde ein spezieller Verbundwerkstoff mit einem FEM-Programm untersucht. Im plastischen Bereich wurde das klassische, v. Mises Potential' mit dem neuen Übergangsfließpotential unter Berücksichtigung der plastischen Volumendehnung verglichen. Unter transversaler Normalbelastung zeigte der Verbund deutliche Unterschiede in der Zunahme und der Ausdehnung der lokalen plastischen Zonen. Alle kritischen Verformungsstadien wurden von dem Übergangsfließpotential bei geringerer Belastung erreicht.

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Numerical investigation of the elastic-plastic behaviour of a fibre-reinforced composite with a metallic matrix

Summary Failure prediction of unidirectional fibre-reinforced composite with a metallic matrix needs knowledge about the nonlinear elastic-plastic behaviour in a microscopic scale. A specific composite was investigated using a FEM-program as a case study. In the plastic range the classical v. Mises Potential was compared with the new Transition Flow Potential, taking into account the plastic volume dilatation. Subjected to transverse normal loading the composite showed evident differences in the increase and the spread of locally plastic regions. All critical deformation states were reached by the Transition Flow Potential at lower loading.

     

Wärmeübergang bei erzwungener turbulenter Strömung in Ringspalten und örtlich beliebig veränderlichen Randbedingungen zweiter Art

Zusammenfassung Das Problem des Wärmeübergangs bei turbulenter Strömung in konzentrischen Ringspalten wird für den dreidimensionalen Fall theoretisch gelöst, wobei die Wandwärmestromdichte sowohl in azimutaler als auch in axialer Richtung beliebig variiert. Die Lösung der Energiegleichung erfolgt mit der klassischen Methode der Superposition und Trennung der Variablen, wobei das dabei auftretende Sturm-Liouvillesche Eigenwertproblem numerisch gelöst wird. Zur Lösung werden Verteilungen für die Geschwindigkeit und anisotropen turbulenten Austauschgrößen verwendet, die mit dem phänomenlogischen Turbulenzmodell von Ramm berechnet wurden. Ergebnisse werden über einen weiten Bereich der Reynolds-Zahl (10⁴ Re 10⁶), der Prandtl-Zahl (0 Pr 100) und für verschiedene Radienverhältnisse diskutiert.

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Turbulent forced convection heat transfer in annuli with arbitrarily varying boundary conditions of second kind

The problem of turbulent flow heat transfer in concentric annuli is analysed for the general threedimensional case in which the wall heat flux varies arbitrarily in both the circumferential and axial directions. The energy equation is solved using the classical method of superposition and separating variables, where the resulting Sturm-Liouville problem are evaluated numerically. The solution is based on velocity profiles and anisotropic thermal turbulent transport properties evaluated by Ramm's phenomenological turbulence model. Results are discussed over a wide range of Reynolds number (10⁴ Re 10⁶), Prandtl number (0 Pr 100) and radius ratio.

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Bezeichnungen a,b Fourierkoeffizienten - B geometrische Funktion, [s(1-r) + r]/(1–s) - C Koeffizienten - D hydraulischer Durchmesser, 2(r₂ – r₁) - E Energietransportfunktion - f axiale Wärmestromdichteverteilung - F azimutale Wärmestromdichteverteilung - g radiale Temperaturfunktion - l Kanallänge - L dimensionslose Kanallänge, 1/D - M axialer Temperaturgradient im thermisch ausgebildeten Bereich - n harmonischer Parameter - Nu Nusselt-Zahl - Pe Péclet-Zahl - Pr Prandtl-Zahl - q Wärmestromdichte - Q dimensionslose Wärmestromdichte, q/q₀ - r dimensionslose radiale Koordinate, (R-r₁)/(r₂-r₁) - r₁,r₂ innerer und äußerer Ringspaltradius - R radiale Koordinate - Re Reynolds-Zahl - s Ringspaltverhältnis, r₁/r₂ - T dimensionslose Temperatur, 2· · (-_E/(D· q₀ - u dimensionslose Geschwindigkeit, U/U_m - U Geschwindigkeit - x dimensionslose axiale Koordinate, X/D - X axiale Koordinate - Wärmeübergangskoeffizient - _un modifizierter Eigenwert - halber Segmentwinkel - turbulente Austauschgröe - Temperatur - dimensionslose Temperaturdifferenz, T - T_m - Wärmeleitfähigkeit - _un Eigenwerte - kinematische Viskosität - azimutale Koordinate - Eigenfunktionen Indizes e thermischer Einlauf - E Eintritt bei x=0 - H Wärme - i Bedingung an der i-ten benetzten Oberfläche (i=1 – Innenrohr, i=2 - Außenrohr) - j Bedingung, wenn nur an der j-ten Oberfläche des Ringspaltes die Wärme übertragen wird (j=1,2) - ij Bedingung an der i-ten Oberfläche, wenn nur an der j-ten Oberfläche des Ringspaltes die Wärme übertragen wird (ij=11, 12, 22, 21) - m mittel - n Ordnung der Harmonischen - r radiale Richtung - u Ordnung des Eigenwertproblems - azimutale Richtung - 0 umfangskonstant - thermisch ausgebildet     

Beitrag zur Auswertung von Anlauf-Vorgängen in viskoelastischen Flüssigkeiten

Zusammenfassung In diesem Bericht wird die Kraftübertragung zwischen zwei unbegrenzt ausgedehnten und durch eineMaxwell-Flüssigkeit gekoppelten Platten bei beliebigem Zeitgesetz der Bewegung der oberen auf die elastisch aufgehängte untere Platte unter Einbeziehung der Trägheit von unterer Platte undMaxwell-Flüssigkeit berechnet.Diese Fragestellung führt mathematisch auf ein Randwertproblem, dessen eine Randbedingung die Form ³ u/x ² y + ₁ u + ₁ u/y – ₂ ² u/xy = 0 fürx = 0 annimmt, also gemischte Ableitungen nach 2 unabhängigen Veränderlichen enthält.Es wird gezeigt, daß sich die Lösung als unendliche Reihe darstellen läßt, deren 1. Glied aus abklingenden Exponentialfunktionen, alle weiteren hingegen aus gedämpften Schwingungen bestehen.Als spezielle Zeitgesetze für die obere Platte werden die impulsförmige Erregung, die zeitproportionale und die periodische Bewegung untersucht.Es wird abgeleitet, wie sich die Kenngrößen undG (Viskosität und Schubmodul) aus Eigenfrequenz und Dämpfung bzw. aus den beiden Exponenten dere-Funktionen in den beiden ersten Fällen berechnen lassen. Bei periodischer Beanspruchung werden undG aus der Resonanzfrequenz und der Halbwertbreite bzw. dem Phasenwinkel ermittelt.Abschließend wird gezeigt, daß und wie ein Rotationsviskosimeter auf den behandelten Fall ebener Platten zurückgeführt werden kann.

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Summary In this report the force transmission between two infinitely extended plates coupled by aMaxwell-Fluid is calculated. In this calculation the inertia of the fluid and the influence of the elastically suspended lower plate is included, while the upper plate can perform any time-dependent movement.Mathematically this question leads to a boundery value problem; one boundery condition has the form ³ u/ ² y + ₁ u + ₁ u/y – ₂ ² u/xy = 0 (x = 0) ( ₁, ₂, = constant), that means it contains mixed differential-quotients of two independent variables.The solution is demonstrated as an infinite series, the form of the first term is of two negative exponential functions, all the other terms are damped oscillations.The excitation from a single pulse, the uniform timeproportional and the periodic movement as timedependent laws for the upper plate are analysed.The values of andG (viscosity and shear modulus) are derived from eigenfrequency and damping-constant respectively from the values of the two exponentials. In the periodic case andG are calculated from the resonance frequency and halfwidth or phase-angle respectively.Finally the conditions of the rotation-viscometer are reduced to the case of parallel-plate-viscometer.

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Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen vom 7.–9. Mai 1973 in Berlin.

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Mit 6 Abbildungen und 1 Tabelle