Elongational flow behavior of viscoelastic liquids: Modelling bubble dynamics with viscoelastic constitutive relations

Summary Earlier parts of this series have described a technique based on the collapse of single bubbles in the fluids for studying the elongational rheology of viscoelastic solutions and melts of moderate viscosities (₀ > 10²p) at relatively high strain rates. The present paper describes the modelling of bubble collapse with both rate and integral type constitutive relations using a body coordinate system. Predictions of the stress at the bubble wall as a function of time during collapse from a BKZ model and a modified corotational Maxwell model compared favorably with experimental data for two polymer solutions, 1% polyacrylamide in water/glycerine and 2% hydroxypropyl cellulose in water.

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Zusammenfassung In vorangehenden Veröffentlichungen dieser Reihe wurde eine Methode beschrieben, mit Hilfe derer man aus dem Zerfall von einzelnen Blasen in einer Flüssigkeit auf die Dehn-Rheologie viskoelastischer Lösungen und Schmelzen mittlerer Viskosität (₀ > 10² P) bei relativ hohen Dehngeschwindigkeiten schließen kann. Die vorliegende Untersuchung beschreibt Modelle des Blasenzerfalls mit Hilfe von Stoffgleichungen sowohl vom rate- als auch vom Integral-Typ, wobei ein körperfestes Koordinatensystem benutzt wird. Die Voraussagen der Spannung an der Blasenwand als Funktion der Zeit während des Zerfalls bei Verwendung eines BKZ- und eines modifizierten korotatorischen Maxwell-Modells zeigen eine recht gute Übereinstimmung mit experimentellen Werten, die an zwei Polymerlösungen, nämlich einer 1%igen Polyacrylamid-Lösung in einer Wasser-Glycerin-Mischung und einer 2%igen wäßrigen Hydropropylcellulose, erhalten worden sind.

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Nomenclature a material constant - b material constant - g metric tensor, space coordinates - m material constant - n material constant - p pressure - P_G pressure within bubble - P_R pressure outside bubble at the wall - P pressure far away from the bubble - R bubble radius - dR/dt - R₀ initial bubble radius - t time - u velocity - U potential function - Y R/R₀Greek symbols covariant body metric tensor - surface tension - rate of deformation matrix, II-second invariant of - strain rate - ₀ zero shear rate viscosity - _e elongational viscosity - _ef effective viscosity - ¹,²,³ coordinates in body system - ^{1 1}/R₀³ - body stress tensor - density - space stress tensor - relaxation time - _ef effective relaxation time - bubble pressure function, defined in eq. [19] - vorticity tensorWith 11 figures and 1 table