A new method to determine the yield stress of a fluid from velocity profiles in a capillary

Un método nuevo para determinar el esfuerzo de cedencia a partir de los perfiles de velocidad en un capilar

J.J. López-Durán¹, J. Pérez-González¹*, B.M. Marín-Santibáñez² and F. Rodríguez-González³

¹ Laboratorio de Reología, Escuela Superior de Física y Matemáticas, Instituto Politécnico Nacional, U. P. Adolfo López Mateos Edif. 9, Col. San Pedro Zacatenco, C. P. 07738, México D. F., México. * Corresponding author. E-mail: jpg@esfm.ipn.mx Tel/Fax 55-57-29-60-00, Ext. 55032.

³ Departamento de Biotecnología, Centro de Desarrollo de Productos Bióticos, Instituto Politécnico Nacional, Col. San Isidro, C.P. 62731, Yautepec, Morelos, México.

Received 4 of September 2012
Accepted 13 of January 2013

Abstract

A new method to determine the yield stress of a fluid from velocity profiles in capillary flow is presented in this work. The method is based on the calculation of the first derivative of the velocity profiles. For this, the velocity profiles of a model yield stress fluid, 0.2 wt.% Carbopol gel, in a capillary were obtained by using a two dimensional particle image velocimetry system. It is shown that the yield stress value may be reliably determined by using only the velocity profiles and the measured wall shear stresses. This fact is corroborated by independent measurements of the yield stress with a stress controlled vane rheometer. On the other hand, the main details of the flow kinematics of yield-stress fluids were also registered and described in this work. Finally, it was found that the gel slips at: the wall with a slip velocity that increases in a power-law way with the shear stress.

Keywords: yield stress, capillary rheometry, particle image velocimetry, Herschel-Bulkley model, wall slip.

En este trabajo se presenta un nuevo método para determinar el esfuerzo de cedencia de un fluido a partir de sus perfiles de velocidad en un capilar. El método se basa en el cálculo de la primera derivada de los perfiles de velocidad. Para esto, se obtuvieron los perfiles de velocidad de un fluido modelo con esfuerzo de cedencia, 0.2 wt.% Carbopol gel, en un capilar por medio de velocimetría por imágenes de partículas. Se muestra que el esfuerzo de cedencia se puede determinar de manera confiable usando solamente los perfiles de velocidad y el esfuerzo cortante en la pared. Este hecho es corroborado mediante mediciones independientes del esfuerzo de cedencia con un reómetro de paletas de esfuerzo controlado. Por otro lado, los principales detalles de la cinemática de flujo de fluidos con esfuerzo de cedencia fueron registrados y descritos en este trabajo. Finalmente, se encontró que el gel desliza en la pared del capilar con una velocidad que depende como una ley de potencia del esfuerzo cortante.

Palabras clave: esfuerzo de cedencia, reometría de capilar, velocimetría por imágenes de partículas, modelo de Herschel-Bulkley, deslizamiento.

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Acknowledgements

This research was supported by SIP-IPN (No. Reg. 20131369). J J. L.-D. had a PFI-IPN scholarship to perform this work and J. P.-G, B. M. M.-S and F. R-G are COFAA-EDI fellows.

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