The production of viscoelastic capillary jets with gaseous flow focusing

Abstract

Se estudia experimentalmente la producción de chorros capilares viscoelásticos con enfocado gaseoso. En esta técnica, el líquido se inyecta a un caudal constante a través de un capilar de alimentación situado delante del orificio de descarga. Una corriente de gas cofluye con el chorro a través del orificio impulsada por una caída de presión constante. La corriente de gas succiona y arrastra el líquido, reduciendo el diámetro del chorro muy por debajo del diámetro del orificio. Debido a la naturaleza reológica del líquido, este fenómeno de enfocado difiere del newtoniano en varios aspectos. Para determinados valores de la concentración de polímero, del caudal inyectado y de la caída de presión aplicada, existe un intervalo de la distancia capilar-orificio para el que se alcanza el régimen de chorro. Fuera de ese intervalo, el chorro sufre la inestabilidad de extracción o se rompe antes de alcanzar el orificio de descarga. En la mayoría de las realizaciones de chorro se observan importantes oscilaciones de la superficie libre. Este comportamiento oscilatorio está causado por un efecto transitorio de hinchamiento que aparece continuamente justo en la salida del capilar. La eyección se interrumpe porque el chorro se abomba hasta tal punto que la superficie libre se pellizca. Debido al efecto estabilizador de la contribución polimérica a la tensión axial, pueden producirse filamentos micrométricos con longitudes de hasta 1 cm y números de Weber del orden de 10-4 delante del orificio de descarga. Las tensiones viscosas de cizallamiento ejercidas sobre el chorro emitido por la corriente de gas más allá del orificio de descarga impiden el retroceso de la macromolécula. La viscosidad extensional resultante inhibe el proceso de ruptura, por lo que se producen chorros muy largos.

The production of viscoelastic capillary jets with gaseous flow focusing is studied experimentally. In this technique, the liquid is injected at a constant flow rate through a feeding capillary located in front of the discharge orifice. A gas stream coflows with the jet across the orifice driven by a constant pressure drop. The gas stream sucks and drags the liquid, reducing the jet’s diameter well below the orifice diameter. Because of the rheological nature of the liquid, this focusing phenomenon differs from the Newtonian one in several regards. For given values of the polymer concentration, the injected flow rate, and the applied pressure drop, there is an interval of the capillary-to-orifice distance for which the jetting regime is reached. Outside that interval, the jet either suffers from the pull-out instability or breaks up before reaching the discharge orifice. Significant free surface oscillations can be observed in most of the jetting realizations. This oscillatory behavior is caused by a transient die swell effect which continuously appears right at the capillary exit. Ejection interrupts because the jet bulges to such an extent that the free surface pinches. Because of the stabilizing effect of the polymeric contribution to the axial stress, micrometer filaments with lengths up to 1 cm and Weber numbers on the order of can be produced in front of the discharge orifice. The shear viscous stresses exerted on the emitted jet by the gas stream beyond the discharge orifice prevent the macromolecule recoiling. The resulting extensional viscosity inhibits the break-up process, and thus very long jets are produced.