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Experimental study of rheology and impact behaviour of an ethanol gel droplet = 에탄올 젤 액적의 실험적 유변학 및 충돌 거동 연구
서명 / 저자 Experimental study of rheology and impact behaviour of an ethanol gel droplet = 에탄올 젤 액적의 실험적 유변학 및 충돌 거동 연구 / Purushothaman Nandagopalan.
저자명 Nandagopalan, Purushothaman ; 난다고파란 푸루쇼타만
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

The present work focusses at the three major contributions to the ethanol gel propellants, namely, synthesis, rheological characterization and drop impact dynamics. This study is of particular importance in the droplet-engine wall interactions, which is promising aspect for the droplet dynamics under different conditions such as shear flow, impact behaviour, and heated substrate. In the synthesis of the ethanol gels (EG), an organic polymer Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) is used as a gelling agent. Synthesized gel fuels possess the maximum content of 85wt.% Synthesized EG fuels are subjected to rheology for understanding the shear sustained mechanisms. During the shear process, EG fuels exhibit the shear- thinning characteristics over the various shear rates and possess the definite yield stress values. The work proposes the sub-classification of the gel fuels based on the consistency and elasticity. The study shows the elastic effect in negligible shear regimes through the modified shear-thinning diameter. We find that the existence of secondary Normal stress stabilize the flow and the ratio of elastic Normal stresses are in good agreement with the existing molecular based theories. Drop Dynamics is found out through the impacting experiments on the targeted surface. We found that the spreading depend on the impacting Weber number ($W_e$), Weissenberg number ($W_i$) and Reynolds number ($R_e$). The initial spreading mechanism is modelled using the spring-dashpot system. We develop the new model based on $ \upsilon - \zata $ parameters that depend on elastic, shear stress and flow stress. It is observed that the high polymer concentration demonstrates the higher viscoelastic rheometric properties in which the splashing is very difficult to occur. The viscoelastic assisted lamella is quickly retracted by the elastic pull. Semi- empirical scaling agrees well in the lower impacting regimes, whereas the larger deviation occurs in the higher impacting conditions owing to the fact that rheology plays a key role. DI study on heated substrate shows that the spreading can be enhanced by heating the substrate to the higher temperatures. At low temperatures, the droplets do not bounce or recede and the deposition is the dominant phenomenon. In higher temperatures, at the low impacting conditions deposition occurs whereas in the higher impacting conditions spreading, bouncing happens. The distinct phenomena such as elastic recoiling, thermal footprint of the droplets, bouncing and somersaulting happen only in the high temperature conditions. This study briefly addresses the gel droplet dynamics subjected to various conditions and provides the insight into the gel fuel applications.

현재의 연구는 에탄올 젤 추진제(로켓연료)에 대한 세 가지 주요한 공헌에 초점을 맞추고 있습니다. 즉 합성, 유동학적 특성, 액적 충돌 역학에 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구는 드롭엔진 역학의 전도 유망한 측면인 드롭엔진 내벽의 전단 흐름, 충격으로 인한 작용, 가열된 상태 와 같은 다양한 조건의 상호 작용에서 특히 중요합니다. 에탄올젤 추진제의 합성과정에서 (액체 에탄올을 에탄올젤로 변하게 하기 위한 촉매제로는) 유기 고분자 중합체 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스가 젤화제(젤로 변하게 하는 촉매제) 로 사용됩니다. 합성된 에탄올젤 연료는 최대 85%의 에탄올 함량을 가지고 있습니다. 합성된 에탄올젤 연료의 전단지속 메커니즘을 이해하기 위해서는 유동학적 측면의 영향력에서 접근하여야 합니다. 전단의 진행 과정 동안, 에탄올젤 연료는 다양한 전단률에 대해 전단박하 현상특성을 나타내며, 분명한 항복응력값(또는 항복점 – 탄성항력을 넘는 값)을 가집니다. 이 연구는 일관성과 탄력성을 토대로 젤 연료의 하위 분류를 제안합니다. 본 연구에서는 전단체제 하의 탄성 효과를 전단담화직경을 통하여 확인할 수 있다. 우리는 존재하는 2차정상응력이 유동성을 안정화시키고 탄성normal 응력의 비율이 기존 분자기반 이론과 일치함을 확인하였다. 낙하역학은 대상 표면에 대한 충격 실험을 통해 확인할 수 있다. 우리는 퍼짐이 웨버 수에 달려 있다는 것을 발견했습니다. 초기 확산 메커니즘은 스프링 대쉬팟 시스템을 사용하여 모델링 됩니다. 일반적으로 고분자가 고농도일때 더높은 점탄성 유변학적 특성을 나타냅니다. 점탄성 라멜라는 탄력있는 당김에 의해 빠르게 수축됩니다. 반- 물질적 확장은 더 낮은 영향을 미치는 상황에서 잘 일치하는 반면, 더 큰 편차는 더 큰 영향 조건에서 발생합니다. 가열 기판에 대한 DI연구는 기판을 더 높은 온도로 가열하여 퍼짐을 개선할 수 있다는 것을 보여줍니다. 낮은 온도에서에탄올젤 튀거나 떨어지지 않는 우세한 증착 현상입니다. 고온에서는 작은 충격 조건에서 침전이 발생한 반면, 큰 충격 조건에서는 확산이 활발하게 발생합니다. 탄력반동, 분무입자들의 열이 차지하는 공간, 확산, 공중제비와 같은 뚜렷한 현상들은 오직 고온에서만 발생합니다. 이 연구는 다양한 조건에서 젤 액적역학을 간략하게 다루고 젤 연료적용에 대한 통찰력을 제공합니다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAE 18031
형태사항 viii, 83 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 푸루쇼타만 난다고파란
지도교수의 영문표기 : Seung Wook Baek
지도교수의 한글표기 : 백승욱
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학과,
서지주기 References : p. 72-78
주제 Ethanol gel
viscoelastic fluid
yield stress
shear-thinning
drop impact
elastic recoiling
에탄올 젤
점탄성 유체
항복 응력
전단박하
액적 충돌
탄력 반동
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