Elastic flow instabilities of non-Newtonian fluids in shear flows

Abstract

The present work deals with the investigation of flow phenomena of non-Newtonian, viscoelastic fluids and particularly with the emergence of elastic flow instabilities and their underlying mechanism. It is mainly focused on the experimental and theoretical investigation of the viscoelastic Taylor-Couette flow for which previous approaches exhibited some unanswered questions and apparent discrepancies to theoretical predictions. The present study is based on experiments in different Taylor-Couette cells using various polymer solutions with diverse rheological properties. Here, the various cells differ from each other just by their characteristic curvature. The objective is the experimental verification of the universal criterion which predicts the onset of elastic instability of a viscoelastic flow with curved streamlines. Based on a customized, constitutive model which is able to describe the explicit shear rheology of the used polymer solutions, linear stability analysis is performed with aiming at an interpretation of the experimental findings. A supplementary study is presented which addresses the possible degradation of the polymer solutions during the Taylor-Couette measurements. Its results are essential to provide a consistent interpretation of the Taylor-Couette measurements.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Strömungsphänomenen nicht-Newtonscher, viskoelastischer Flüssigkeiten, insbesondere mit elastischen Strömungsinstabilitäten und deren zugrundeliegendem Mechanismus. Der Fokus liegt hierbei auf der experimentellen wie theoretischen Untersuchung des viskoelastischen Taylor-Couette-Flusses, dessen bisherige Behandlung offene Fragen und Unstimmigkeiten gegenüber theoretischen Vorhersagen aufweist. Grundlage unserer Studie bilden Experimente mit mehreren Polymerflüssigkeiten unterschiedlicher rheologischer Eigenschaften in verschiedenen Taylor-Couette-Geometrien, die sich in ihrem Krümmungsparameter unterscheiden. Zielsetzung ist insbesondere die experimentelle Verifizierung eines universellen Kriteriums, das die lineare elastische Instabilität einer viskoelastischen Strömung mit gekrümmten Stromlinien vorhersagt. Basierend auf einem angepassten, konstitutiven Flüssigkeitsmodell, welches die Scherrheologie der verwendeten Flüssigkeiten zu erfassen vermag, wird mit Hilfe einer linearen Stabilitätsanalyse versucht, die experimentellen Ergebnisse nachzuvollziehen. Ergänzend dazu werden die Ergebnisse einer Studie vorgestellt, die die Degradation der Polymerflüssigkeiten im Verlauf der Taylor-Couette Messungen zum Gegenstand hat. Erst diese lassen eine stimmige Interpretation der vorherigen Resultate zu.