Skip to main content
Erschienen in:

01.12.2024 | Original Paper

Comparing Phenomenological Models of Shear Thinning of Alkanes at Low and High Newtonian Viscosities

verfasst von: Wenhui Li, Vikram Jadhao

Erschienen in: Tribology Letters | Ausgabe 4/2024

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

Der Artikel behandelt das Phänomen der Scherverdünnung bei Alkanen, bei der Flüssigkeiten unter Scherbelastung eine verminderte Viskosität aufweisen. Es vergleicht zwei Hauptklassen von Modellen: leistungsrechtliche Modelle wie Carreau und Carreau-Yasuda, die molekulare Ordnungsänderungen voraussetzen, und das Eyring-Modell, das Scherverdünnung auf thermische Aktivierung zurückführt. Mithilfe von Simulationen der Nichtgleichgewichtsmolekulardynamik (NEMD) und experimentellen Daten bewerten die Autoren die Effektivität dieser Modelle bei der Beschreibung des Verdünnungsverhaltens von Scheren. Sie führen mittlere Skalierungsdiagramme und ein Rechtfertigungskriterium ein, um Modelle mit unterschiedlicher Anzahl passender Parameter fair zu vergleichen. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass das Eyring-Modell für Flüssigkeiten mit hoher Viskosität besser geeignet ist, während leistungsrechtliche Modelle für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität besser geeignet sind. Die Ergebnisse unterstreichen, dass die Wahl des Modells von der newtonschen Viskosität des Fluids abhängt, was wertvolle Erkenntnisse für praktische Anwendungen wie Hydraulic Fracturing und Schmierung liefert.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Larson, R.G.: The Structure and Rheology of Complex Fluids, vol. 150. Oxford University Press, New York (1999) Larson, R.G.: The Structure and Rheology of Complex Fluids, vol. 150. Oxford University Press, New York (1999)
2.
Zurück zum Zitat Osiptsov, A.A.: Fluid mechanics of hydraulic fracturing: a review. J. Petrol. Sci. Eng. 156, 513–535 (2017)CrossRef Osiptsov, A.A.: Fluid mechanics of hydraulic fracturing: a review. J. Petrol. Sci. Eng. 156, 513–535 (2017)CrossRef
3.
Zurück zum Zitat Pereira, L., Lecampion, B.: A plane-strain hydraulic fracture driven by a shear-thinning Carreau fluid. Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech. 45(11), 1603–1623 (2021)CrossRef Pereira, L., Lecampion, B.: A plane-strain hydraulic fracture driven by a shear-thinning Carreau fluid. Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech. 45(11), 1603–1623 (2021)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Spikes, H., Jie, Z.: History, origins and prediction of elastohydrodynamic friction. Tribol. Lett. 56, 1–25 (2014)CrossRef Spikes, H., Jie, Z.: History, origins and prediction of elastohydrodynamic friction. Tribol. Lett. 56, 1–25 (2014)CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Xu, Y., Stokes, J.R.: Soft lubrication of model shear-thinning fluids. Tribol. Int. 152, 106541 (2020)CrossRef Xu, Y., Stokes, J.R.: Soft lubrication of model shear-thinning fluids. Tribol. Int. 152, 106541 (2020)CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Liu, P., Lu, J., Yu, H., Ren, N., Lockwood, F.E., Wang, Q.J.: Lubricant shear thinning behavior correlated with variation of radius of gyration via molecular dynamics simulations. J. Chem. Phys. 147(8), 084904 (2017)CrossRefPubMed Liu, P., Lu, J., Yu, H., Ren, N., Lockwood, F.E., Wang, Q.J.: Lubricant shear thinning behavior correlated with variation of radius of gyration via molecular dynamics simulations. J. Chem. Phys. 147(8), 084904 (2017)CrossRefPubMed
8.
Zurück zum Zitat Montgomery, C.: Fracturing fluids. In: ISRM International Conference for Effective and Sustainable Hydraulic Fracturing, pp. ISRM–ICHF. ISRM (2013) Montgomery, C.: Fracturing fluids. In: ISRM International Conference for Effective and Sustainable Hydraulic Fracturing, pp. ISRM–ICHF. ISRM (2013)
9.
Zurück zum Zitat Gheissary, G., Van Den Brule, B.: Unexpected phenomena observed in particle settling in non-newtonian media. J. Nonnewton. Fluid Mech. 67, 1–18 (1996)CrossRef Gheissary, G., Van Den Brule, B.: Unexpected phenomena observed in particle settling in non-newtonian media. J. Nonnewton. Fluid Mech. 67, 1–18 (1996)CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Spikes, H.: Basics of EHL for practical application. Lubr. Sci. 27(1), 45–67 (2015)CrossRef Spikes, H.: Basics of EHL for practical application. Lubr. Sci. 27(1), 45–67 (2015)CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Ewen, J.P., Heyes, D.M., Dini, D.: Advances in nonequilibrium molecular dynamics simulations of lubricants and additives. Friction 6, 249–386 (2018)CrossRef Ewen, J.P., Heyes, D.M., Dini, D.: Advances in nonequilibrium molecular dynamics simulations of lubricants and additives. Friction 6, 249–386 (2018)CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Bair, S., Vergne, P., Kumar, P., Poll, G., Krupka, I., Hartl, M., Habchi, W., Larsson, R.: Comment on “history, origins and prediction of elastohydrodynamic friction’’ by Spikes and Jie. Tribol. Lett. 58, 1–8 (2015)CrossRef Bair, S., Vergne, P., Kumar, P., Poll, G., Krupka, I., Hartl, M., Habchi, W., Larsson, R.: Comment on “history, origins and prediction of elastohydrodynamic friction’’ by Spikes and Jie. Tribol. Lett. 58, 1–8 (2015)CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Ewen, J.P., Spikes, H.A., Dini, D.: Contributions of molecular dynamics simulations to elastohydrodynamic lubrication. Tribol. Lett. 69(1), 24 (2021)CrossRef Ewen, J.P., Spikes, H.A., Dini, D.: Contributions of molecular dynamics simulations to elastohydrodynamic lubrication. Tribol. Lett. 69(1), 24 (2021)CrossRef
15.
Zurück zum Zitat Carreau, P.J.: Rheological equations from molecular network theories. Trans. Soc. Rheol. 16(1), 99–127 (1972)CrossRef Carreau, P.J.: Rheological equations from molecular network theories. Trans. Soc. Rheol. 16(1), 99–127 (1972)CrossRef
16.
Zurück zum Zitat Yasuda, K.: Investigation of the analogies between viscometric and linear viscoelastic properties of polystyrene fluids. Ph.D. thesis, Massachusetts Institute of Technology (1979) Yasuda, K.: Investigation of the analogies between viscometric and linear viscoelastic properties of polystyrene fluids. Ph.D. thesis, Massachusetts Institute of Technology (1979)
17.
Zurück zum Zitat Eyring, H.: Viscosity, plasticity, and diffusion as examples of absolute reaction rates. J. Chem. Phys. 4(4), 283–291 (1936)CrossRef Eyring, H.: Viscosity, plasticity, and diffusion as examples of absolute reaction rates. J. Chem. Phys. 4(4), 283–291 (1936)CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Gao, H., Müser, M.H.: On the shear-thinning of alkanes. Tribol. Lett. 72(1), 16 (2024)CrossRef Gao, H., Müser, M.H.: On the shear-thinning of alkanes. Tribol. Lett. 72(1), 16 (2024)CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Jadhao, V., Robbins, M.O.: Probing large viscosities in glass-formers with nonequilibrium simulations. Proc. Natl. Acad. Sci. 114(30), 7952–7957 (2017)CrossRefPubMedPubMedCentral Jadhao, V., Robbins, M.O.: Probing large viscosities in glass-formers with nonequilibrium simulations. Proc. Natl. Acad. Sci. 114(30), 7952–7957 (2017)CrossRefPubMedPubMedCentral
20.
Zurück zum Zitat Bair, S., McCabe, C., Cummings, P.T.: Comparison of nonequilibrium molecular dynamics with experimental measurements in the nonlinear shear-thinning regime. Phys. Rev. Lett. 88(5), 058302 (2002)CrossRefPubMed Bair, S., McCabe, C., Cummings, P.T.: Comparison of nonequilibrium molecular dynamics with experimental measurements in the nonlinear shear-thinning regime. Phys. Rev. Lett. 88(5), 058302 (2002)CrossRefPubMed
21.
Zurück zum Zitat Moore, J., Cui, S., Cochran, H., Cummings, P.: Rheology of lubricant basestocks: a molecular dynamics study of c30 isomers. J. Chem. Phys. 113(19), 8833–8840 (2000)CrossRef Moore, J., Cui, S., Cochran, H., Cummings, P.: Rheology of lubricant basestocks: a molecular dynamics study of c30 isomers. J. Chem. Phys. 113(19), 8833–8840 (2000)CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Ewen, J.P., Gattinoni, C., Zhang, J., Heyes, D.M., Spikes, H.A., Dini, D.: On the effect of confined fluid molecular structure on nonequilibrium phase behaviour and friction. Phys. Chem. Chem. Phys. 19(27), 17883–17894 (2017)CrossRefPubMed Ewen, J.P., Gattinoni, C., Zhang, J., Heyes, D.M., Spikes, H.A., Dini, D.: On the effect of confined fluid molecular structure on nonequilibrium phase behaviour and friction. Phys. Chem. Chem. Phys. 19(27), 17883–17894 (2017)CrossRefPubMed
23.
Zurück zum Zitat Kobayashi, M., Saitoh, M., Togawa, S., Ishida, K.: Branching structure of diesel and lubricant base oils prepared by isomerization/hydrocracking of fischer-tropsch waxes and \(\alpha\)-olefins. Energy Fuels 23(1), 513–518 (2009)CrossRef Kobayashi, M., Saitoh, M., Togawa, S., Ishida, K.: Branching structure of diesel and lubricant base oils prepared by isomerization/hydrocracking of fischer-tropsch waxes and \(\alpha\)-olefins. Energy Fuels 23(1), 513–518 (2009)CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Tseng, H.C., Wu, J.S., Chang, R.Y.: Shear thinning and shear dilatancy of liquid n-hexadecane via equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics simulations: temperature, pressure, and density effects. J. Chem. Phys. 129(1) (2008) Tseng, H.C., Wu, J.S., Chang, R.Y.: Shear thinning and shear dilatancy of liquid n-hexadecane via equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics simulations: temperature, pressure, and density effects. J. Chem. Phys. 129(1) (2008)
25.
Zurück zum Zitat Daivis, P.J., Evans, D.J.: Comparison of constant pressure and constant volume nonequilibrium simulations of sheared model decane. J. Chem. Phys. 100(1), 541–547 (1994)CrossRef Daivis, P.J., Evans, D.J.: Comparison of constant pressure and constant volume nonequilibrium simulations of sheared model decane. J. Chem. Phys. 100(1), 541–547 (1994)CrossRef
26.
Zurück zum Zitat Müser, M.H.: Shear thinning in the Prandtl model and its relation to generalized newtonian fluids. Lubricants 8(4), 38 (2020)CrossRef Müser, M.H.: Shear thinning in the Prandtl model and its relation to generalized newtonian fluids. Lubricants 8(4), 38 (2020)CrossRef
27.
Zurück zum Zitat Yasuda, K., Armstrong, R., Cohen, R.: Shear flow properties of concentrated solutions of linear and star branched polystyrenes. Rheol. Acta 20(2), 163–178 (1981)CrossRef Yasuda, K., Armstrong, R., Cohen, R.: Shear flow properties of concentrated solutions of linear and star branched polystyrenes. Rheol. Acta 20(2), 163–178 (1981)CrossRef
28.
Zurück zum Zitat Wozniak, M., Rylski, A., Lason-Rydel, M., Orczykowska, M., Obraniak, A., Siczek, K.: Some rheological properties of plastic greases by Carreau-Yasuda model. Tribol. Int. 183, 108372 (2023)CrossRef Wozniak, M., Rylski, A., Lason-Rydel, M., Orczykowska, M., Obraniak, A., Siczek, K.: Some rheological properties of plastic greases by Carreau-Yasuda model. Tribol. Int. 183, 108372 (2023)CrossRef
29.
Zurück zum Zitat Mahmood, R., Bilal, S., Khan, I., Kousar, N., Seikh, A.H., Sherif, E.S.M.: A comprehensive finite element examination of Carreau Yasuda fluid model in a lid driven cavity and channel with obstacle by way of kinetic energy and drag and lift coefficient measurements. J. Market. Res. 9(2), 1785–1800 (2020) Mahmood, R., Bilal, S., Khan, I., Kousar, N., Seikh, A.H., Sherif, E.S.M.: A comprehensive finite element examination of Carreau Yasuda fluid model in a lid driven cavity and channel with obstacle by way of kinetic energy and drag and lift coefficient measurements. J. Market. Res. 9(2), 1785–1800 (2020)
30.
Zurück zum Zitat Spikes, H.: Comment on: Rheology of an ionic liquid with variable carreau exponent: a full picture by molecular simulation with experimental contribution, by Nicolas Voeltzel, Philippe Vergne, Nicolas Fillot, Nathalie Bouscharain, Laurent Joly, tribology letters (2016) 64: 25. Tribol. Lett. 65, 1–3 (2017)CrossRef Spikes, H.: Comment on: Rheology of an ionic liquid with variable carreau exponent: a full picture by molecular simulation with experimental contribution, by Nicolas Voeltzel, Philippe Vergne, Nicolas Fillot, Nathalie Bouscharain, Laurent Joly, tribology letters (2016) 64: 25. Tribol. Lett. 65, 1–3 (2017)CrossRef
31.
Zurück zum Zitat Voeltzel, N., Vergne, P., Fillot, N., Bouscharain, N., Joly, L.: Rheology of an ionic liquid with variable Carreau exponent: a full picture by molecular simulation with experimental contribution. Tribol. Lett. 64(2), 25 (2016)CrossRef Voeltzel, N., Vergne, P., Fillot, N., Bouscharain, N., Joly, L.: Rheology of an ionic liquid with variable Carreau exponent: a full picture by molecular simulation with experimental contribution. Tribol. Lett. 64(2), 25 (2016)CrossRef
Metadaten
Titel
Comparing Phenomenological Models of Shear Thinning of Alkanes at Low and High Newtonian Viscosities
verfasst von
Wenhui Li
Vikram Jadhao
Publikationsdatum
01.12.2024
Verlag
Springer US
Erschienen in
Tribology Letters / Ausgabe 4/2024
Print ISSN: 1023-8883
Elektronische ISSN: 1573-2711
DOI
https://doi.org/10.1007/s11249-024-01908-7

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.