Wandeffekte bei dispers-plastischen Materialien

Zusammenfassung Die Wandgleitgeschwindigkeit von dispers-plastischen Gemischen aus Kaolinpulver und Paraffinöl wird nach der Drei-Spalte-Methode für die Couette-Strömung mit einem Searle-Rheometer ermittelt. Sie steigt zunächst mit zunehmender Schubspannung an, erreicht ein Maximum, fällt mit weiter steigender Schubspannung wieder ab und wird schließlich sogar negativ. Eine negative Wandgleitgeschwindigkeit ist natürlich physikalisch unmöglich. Dispersplastische Gemische aus Kaolinpulver und Paraffinöl zeigen also ein komplizierteres Wandverhalten als reines Wandgleiten.Zur Deutung dieses komplizierten Wandeffektes wird eine Modellvorstellung entwickelt. Wichtig ist hierbei, daß eine zunehmende Wandgleitgeschwindigkeit auftritt, bevor eine starke Scherströmung im Innern des Strömungsfeldes einsetzt. Mit beginnender Scherströmung führen die plättchenförmigen dispersen Teilchen auf Grund von Zusammenstößen seitliche Schwankungsbewegungen um die makroskopisch wahrnehmbaren Bahnkurven aus.Diese Teilchenbewegungen führen zur Zerstörung der zunächst beim Wandgleiten sich ausbildenden Mikrostrukturen an der Wand. Daher kann die Wandgleitgeschwindigkeit trotz steigender Wandschubspannung abnehmen. Die Behinderung der seitlichen Partikelbewegungen an der Wand — die dispersen Teilchen können sich auf der Wand abstützen — führt bei weiter steigender Schergeschwindigkeit im Innern des Strömungsfeldes makroskopisch zu einer Versteifung des Materials in Wandnähe. Damit können negative Werte der sog. Wandgleitgeschwindigkeit — man spricht besser von einer integralen Wandfunktion — sowie bestimmte experimentelle Befunde bei der Druckabhängigkeit und bei der Temperaturabhängigkeit der rheologischen Eigenschaften und des Wandeffektes erklärt werden.Die experimentellen Untersuchungen beschränken sich im wesentlichen auf den Wandeffekt an schwach gekrümmten Wänden in Couette-Spalten, an denen ein Krümmungseinfluß auf den Wandeffekt mit großer Wahrscheinlichkeit vernachlässigbar ist. Die Auswirkung eines Krümmungseinflusses auf die rheometrischen Meßergebnisse wird jedoch diskutiert. Die aus rheometrischen Messungen bestimmbare integrale Wandfunktion liefert im Fall des komplizierten Wandeffektes noch keine vollständige Information über das Wandverhalten.

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The wall slip velocity of disperse plastic mixtures of kaolin powder and paraffin oil is determined by the so-called three-gap method for Couette flow with a Searle rheometer. At the start it grows with increasing shear stress, reaches a maximum, then decreases with further increases in shear stress and finally becomes negative. From a physical point of view, negative wall-slip-velocities are impossible. Thus it is concluded that disperse plastic mixtures of kaolin powder and paraffin oil show a more complicated wall effect than pure wall slip.In order to explain this complicated wall effect a model of the microstructure near the wall is developed: It is essential that increasing wall slip velocity occurs before the start of shear flow in the interior of the flow field. With shear flow the slab-like disperse particles perform lateral fluctuations around their macroscopically perceptible flow paths. These are caused by collisions between the particles. These lateral particle movements destroy the microstructure at the wall which was built up by pure wall slip. Therefore the wall slip velocity may decrease inspite of increasing wall shear stress. One may then assume a suppression of lateral particle movement at the wall with further increases in the shear in the interior of the flow field which will cause some kind of stiffening of the material near the wall. This assumption can explain the negative values of the so-called slip velocity (which is better termed an integral wall function) as well as some effects in connection with the pressure and temperature dependence of the flow function and integral wall function.The experimental investigations are confined to slowly curved walls in Couette gaps, where an influence of wall curvature on the wall effect may be neglected, but the influence of wall curvature on the wall effect is discussed theoretically. The integral wall function which can be determined from rheometric measurements does not yield complete information on the complicated wall effect.

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f() Schubspannungsfunktion - Schubspannungsfunktion in Wandnähe - h axiale Erstreckung eines Couette-Spaltes - M _d übertragenes Drehmoment in der Couette-Strömung - R kleinster Krümmungsradius einer Wand an einer Stelle - R _w Radius einer zylindrischen Wand - R _a, R_i Radien von Außen- und Innenzylinder eines Couette-Spaltes - R ₁, R₂, R₃ Radien eines Drei-Spalte-Couette-Systems - R _w1, R_w2 Radien von zwei Rohren - Volumenstrom in einer Rohrströmung - Volumenströme durch zwei verschiedene Rohre bei gleicher Wandschubspannung - v _w (_w) Wandgleitgeschwindigkeit - Winkel zwischen Wandschubspannung und der Richtung, in der die Wand am schwächsten gekrümmt ist - =(R_a/R_i)² quadratisches Radienverhältnis - (_w) Dicke der vom komplizierteren Wandeffekt beeinflußten Wandschicht - Dicke eines Gleitfilms bei Wandgleiten - _w Schubspannungsänderung in der Wandschicht (_w) - f(_w, ) Wandfunktion - Wandabstand - ø _w (_w) integrale Wandfunktion bei vernachlässigbarer Wandkrümmung und vernachlässigbarer Schubspannungsänderung in der Wandschicht (_w) - ø _Couette ( _w, ₂) integrale Wandfunktion der Couette-Strömung - ø _Rohr ( _w, R_w) integrale Wandfunktion der Rohrströmung - ø _Couette ^* ( _w, R₂) experimentell ermittelte Wandfunktion der Couette-Strömung - ø _Rohr ^* ( _w, R_w, R_w2) experimentell ermittelte Wandfunktion der Rohrströmung - ₁, ₂ größter bzw. kleinster Krümmungsradius einer Wand - _w Wandschubspannung - _a, _i Wandschubspannung am Außen- bzw. Innenzylinder eines Couette-Spaltes - ₂ Wandschubspannung in einem Drei-Spalte-Couette-System am mittleren RadiusR ₂ - Schubspannung - Winkelgeschwindigkeitsdifferenz zwischen Außen- und Innenzylinder eines Couette-Spaltes - _I (M_d), _II (M_d), _III(M_d) Winkelgeschwindigkeitsdifferenzen an einem Drei-Spalte-Couette-System als Funktionen des übertragenen Momentes