뉴턴·비뉴턴 유체의 유변학적 특성 측정을위한 자가 구동 측정장치의 개발

Abstract

본 논문에서는 뉴턴• 비뉴턴 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 장치의 개발 및 그 성능의 검증을 위한 몇 가지 뉴턴• 비뉴턴 유체의 유변학적 특성을 측정한다. 여기서 유변학적 특성이란 유체를 점탄성 물질(viscoelastic material)로 볼 때의 특성이며, 유체의 유동(flow)과 변형(deformation)에 의해 나타나는 특성이다. 이러한 유체의 유변학적 특성 측정을 위하여 진동하고 있는 구조물과 그에 접촉해 있는 유체간의 상호 작용에 의해서 발생하는 유체-구조물간에 상호 작용하는 힘(fluid-structure interaction force)을 측정하며, 그를 이용하여 유체의 유변학적 특성을 계산해 낸다. 이를 위해 먼저 유체와 접촉하고 있는 보 형태의 구조물에 외부의 가진 장치를 이용하여 보의 진동을 유발하고, 가속도계를 이용하여 보의 진동 응답을 측정하며 그를 이용하여 유체와 구조물간에 상호작용하는 힘을 측정한다. 그리고 이것으로부터 유체의 유변학적 특성을 계산해 내며 측정 알고리즘의 정확성을 점도 표준액의 유변학적 특성의 측정을 통해 검증한다. 나아가 측정장치가 상용화 가능한 장치로의 발전을 위해 외부에 설치된 고가의 가진 장치와 가속도계의 제거를 통해 장치 제작 시 소요되는 원가를 절감하며 이 과정 중 압전 소자(piezoelectric material)를 이용하여 목표를 달성한다. 그리고 완성된 장치의 성능 검증을 위해 점도 표준액과 몇 가지 비뉴턴 유체의 유변학적 특성을 측정한다.; The experimental method to measure the rheological properties of Newtonian or non-Newtonian fluids are proposed. The effects of fluids on flexural wave propagation characteristics of the composite beam structure attached PZT is analyzed and used in measuring viscoelastic properties. The PZT of composite beam structure is used for self-sensing system. Fluid-structure interaction has effects on the wave propagation characteristics. To monitor this change, frequency dependent variations of complex wavenumber of composite beam structure and fluid-structure interaction analysis are performed. To account for the fluid-structure interaction effects, the fluids are modelled as a simple viscoelastic support at one end of the beam. The measured properties are dynamic shear modulus and loss tangent. Using the proposed method, the rheological properties of various non-Newtonian fluids are measured. Viscosity standard fluids are tested to verify accuracy of the proposed method and the results show the same viscosity value of the standard fluid which is offered by manufacturer. Compared to general rotational type rheometer which has been widely used in measuring dynamic properties, the proposed method requires simple experimental setup, and it is flexible to select frequency ranges of data acquisition.