Flow rate--pressure drop relations for shear-thinning fluids in deformable configurations: theory and experiments

剪切减薄 压力降 机械 剪切速率 牛顿流体 无量纲量 非牛顿流体 剪切(地质) 剪切流 体积流量 下降(电信) 材料科学 流变学 热力学 物理 工程类 复合材料 机械工程
作者
SungGyu Chun,Evgeniy Boyko,Ivan Christov,Jie Feng
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2401.05513
摘要

We provide an experimental framework to measure the flow rate--pressure drop relation for Newtonian and shear-thinning fluids in two common deformable configurations: (i) a rectangular channel and (ii) an axisymmetric tube. Using the Carreau model to describe the shear-dependent viscosity, we identify the key dimensionless rheological number, $Cu$, which characterizes shear thinning, and we show that our experiments lie within the power-law regime of shear rates. To rationalize the experimental data, we derive the flow rate--pressure drop relation taking into account the two-way-coupled fluid--structure interaction between the flow and its compliant confining boundaries. We thus identify the second key dimensionless number, $\alpha$, which characterizes the compliance of the conduit. We then compare the theoretical flow rate--pressure drop relation to our experimental measurements, finding excellent agreement between the two. We further contrast our results for shear-thinning and Newtonian fluids to highlight the influence of $Cu$ on the flow rate--pressure drop relation. Finally, we delineate four distinct physical regimes of flow and deformation by mapping our experimental flow rate--pressure drop data for Newtonian and shear-thinning fluids into a $Cu-\alpha$ plane.

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