Reometre ile MR Sıvı Karakterizasyonun Belirlenmesi

MR sıvıların reolojik özelliklerinin belirlenmesi için Anton Paar MCR 302 reometre kullanılmıştır (Şekil 18). Reometre; bir kompresör ile oluşturulan hava basıncını kullanarak ölçüm başlıklarını, numune içerisinde döndürmektedir. Bu dönüş esnasında başlığa gelen kuvvetler hassas bir şekilde ölçülerek akışkanın reolojik değerleri veri setleri olarak oluşturulmaktadır. Ayrıca reometre, numuneyi farklı sıcaklıklarda şartlandırabilme özelliğine sahiptir ve MR akışkan üzerine, manyetik akı başlığı vasıtasıyla 0 A ile 5 A arasında akım gönderebilecek şekilde çalışabilmektedir. Bu akım aralığı, bir MR damperin çalıştığı karakteristik aralığı fazlasıyla kapsamaktadır. Numune üzerine gelen manyetik akı yoğunluğu ise bir manyetik akı ölçer ile ölçülmektedir.

62

Şekil 18. Reometre ölçüm cihazı (solda), Reometreye ait yardımcı ekipmanlar (sağda)

Reometre ölçümleri için iki farklı ölçme başlığı kullanılabilmektedir. Bunlardan birisi paralel plaka, diğeri ise çift-boşluk (Twin-Gap) ölçme başlığıdır (Şekil 19). Paralel plaka daha yavaş hızlarda çalışmakta buna karşın akma gerilmelerini daha hassas şekilde hesaplamakta iken, çift-boşluk başlığı daha yüksek kayma hızlarında (shear rate) daha düşük viskoziteye sahip sıvıların ölçümlerinde kullanılmaktadır.

(a) (b)

63 Paralel Plaka Başlığı İle Yapılan Ölçümler

Lord firmasının MRF132DG isimli MR sıvısının paralel plaka ile 40°C için farklı akım değerlerinde yapılan ölçümleri Şekil 20’de verilmiştir.

Şekil 20. Paralel plaka başlığı ile yapılan ölçüm sonuçlarının kayma hızı-kayma gerilmesi ekseninde görünümü

Ölçümlerde MR akışkanın karakteristik yapısına uygun bir şekilde belirli kayma gerilmelerinde akmaya başladığı; daha sonra ise inceldiği net olarak görülmektedir.

Çift-Boşluk (Twin-Gap) Ölçme Başlığı İle Yapılan Ölçümler

Çift-boşluk ölçme başlığı yüksek kayma hızları için tasarlanmış özel bir başlıktır. Bu başlık numunenin, plakanın hem alt hem de üst kısmına doldurulması ile çalışmaktadır. Bu sayede daha yüksek kayma hızlarına çıkabilmektedir. Paralel plakanın çıkamadığı kayma hızlarını da tarayabilmek adına bu başlık ile ulaşılabilen maksimum kayma hızı olan 7500 s−1 değerine kadar ölçümler yapılmıştır.

Her ne kadar bu yüksek kayma hızlarında ölçümler yapılabiliyor olsa da her akım değeri için maksimum kayma hızına çıkmak mümkün olmamaktadır. Çünkü yüksek akımlarda cihazın ölçüm kafasına gelen moment değerleri de artmaktadır. Cihazın limit moment değeri 200 mNm olduğu için yüksek manyetik akı değerlerinde belirli kayma hızlarının üzerine çıkılamamaktadır. Fakat bu problem sadece çok yüksek akım değerlerinde oluştuğu için bu bölgelerdeki veriler tahmin edilerek bu sorunun üstesinden gelinebilmektedir.

64

Çift-boşluk başlığı kullanımının bir diğer dezavantajı ise akma gerilmelerinin tespitinde paralel plaka kadar doğru tahmin yapılamamasıdır. Fakat bu durum, paralel plaka ölçüm verilerinin kullanıldığı HAD analizlerinde ortaya çıkan büyük hatalara benzer bir duruma neden olmamaktadır. Çift-boşluk başlığı ile yapılan ölçüm sonuçları Şekil 21’de verilmiştir.

Şekil 21. Çift-boşluk başlığı ile yapılan ölçüm sonuçlarının kayma hızı-kayma gerilmesi ekseninde görünümü

Yapılan ölçümlerin MRF132DG sıvısının Lord firması tarafından verilen katalog verileri ile kıyaslanması Şekil 22 ve Şekil 23’de verilmiştir. Şekil 22, farklı akım değerleri için elde edilen manyetik akı yoğunluğuna karşılık gelen akma gerilmesini gösterirken; Şekil 23, 0 A değeri için kayma gerilmesi ile kayma hızı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

Şekil 22’de akma gerilmesi değerleri çok yakın bir uyum ile elde edilmiştir ve Şekil 23 incelendiğinde çift boşluk başlık 0 A akım değerinde katalog verileri ile iyi bir uyum sağlamıştır. Çift-boşluk başlık için akma gerilmesi değerleri her ne kadar paralel plaka kadar başarılı olmasa da katalog verilerinin uzağında değildir.

65

Şekil 22. MRF132DG sıvısı için paralel plaka, çift boşluk ile yapılan ölçümlerin manyetik akı-akma gerilmesi ilişkisinin matematiksel model ve katalog verileri ile karşılaştırılması

Şekil 23. MRF132DG sıvısı için paralel plaka, çift boşluk ile yapılan ölçümlerin kayma gerilmesi-kayma hızı ilişkisinin katalog verileri ile karşılaştırılması

Paralel plaka için, sonuçlara bakıldığında akma gerilmesi değerleri katalog verileri ile yakın olsa da 0 A akım altındaki duruma ait verilerle katalog verileri arasında ciddi bir fark olduğu görülmektedir. 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 A km a ger ilm e si [Pa]

Manyetik akı yoğunluğu [T]

Firma katalog verileri Twin-Gap

Paralel Plaka Matematiksel Model

0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 K ay m a ge ri lm e si [Pa] Kayma Hızı [1/s]

66

Ölçümü yapılan MR sıvının Kayma Gerilmesi-Kayma Hızı ilişkisi Herschel-Bulkley modeli ile uyumludur. Herschel-Bulkley modeli eğrisinin test verileri ile eğri uydurulması sonucu Kayma Gerilmesi-Kayma Hızı eğrisi çizilebilmiştir (Şekil 24).

Şekil 24. Kısa ve uzun aralıklarda çift boşluk ile alınan Herschel-Bulkley eğrilerinin kıyaslanması

Aynı ölçüm sonuçları için, Herschel-Bulkley eğrisi; dikkate alınan veri aralığına göre ciddi oranda değişmektedir. Şekil 24’de 0 − 1200 𝑠−1 ile 0 − 7500 𝑠−1 aralığında alınan verilere göre uydurulan Herschel-Bulkley eğrisi kıyaslanmıştır. 1200 𝑠−1 ‘e kadar olan veriler kullanıldığında düşük kayma gerilmeleri için temsil kabiliyeti doğru olan bir Herschel-Bulkley eğrisi elde edilirken; aynı eğri, yüksek kayma hızları için başarısız olmaktadır. Özellikle MR damperin sayısal analizi esnasında kanal bölgesindeki kayma hızlarının 6000 − 7000 𝑠−1 mertebelerine ulaştığı dikkate alınırsa bu hatanın HAD sonuçlarına etki edeceği daha net anlaşılmaktadır. Paralel plaka başlığı 1200 𝑠−1 e kadar ölçüm yapabildiği için Herschel-Bulkley regresyon eğrileri bu bölgenin dışında doğru olmayan tahminlerde bulunmuş, interpolasyon yöntemi ise benzer şekilde matrisin dışında kalan bu bölgeler için son değer aralıklarından doğrusal ve hatalı bir tahmin yapmıştır. Bu hatanın düzeltilebilmesi için daha geniş aralıkta ölçüm yapabilen bir başlığa ihtiyaç vardır.

Ayrıca paralel plaka, ölçüm yapabildiği aralıkta bile üst sınıra yaklaştıkça numunenin kenarlarda savrulmasından dolayı daha yüksek kayma gerilmesi değerleri ölçmektedir. Paralel plaka ile elde edilen sonuçlar her ne kadar akma gerilmesini tahmin etmekte başarılı olsa da yüksek kayma hızlarında yanlış Herschel-Bulkley eğrileri elde edildiği için, bu başarılı tahmin

0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 K ay m a Ge ri lm e si [Pa] Kayma Hızı [s^-1]

67

yeterli olmamaktadır. Bu hataların önlenmesi için çift-boşluk başlığı esas alınmış ve bundan sonra HAD modelinde kullanılan tüm ölçümler bu başlıkla yapılmıştır.

Paralel plaka ve çift boşluk ile yapılan ölçüm verileri aynı akışkan ve aynı HAD modeli ile kullanıldığında elde edilen sonuçlar ise Şekil 25 ve Şekil 26’da verilmiştir.

Şekil 25. Paralel plaka ve çift boşluk ölçümleri kullanılarak yapılan HAD analizlerinin kuvvet-yerdeğiştirme ilişkisinin deneysel veriler ile kıyaslanması

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 K u vv e t [N ] Yerdeğiştirme [mm]

68

Şekil 26. Paralel plaka ve çift boşluk ölçümleri kullanılarak yapılan HAD analizlerinin kuvvet-hız ilişkisinin deneysel veriler ile kıyaslanması

Şekil 25 ve Şekil 26’da verilen analiz sonuçları çok açık bir şekilde göstermektedir ki çift boşluk ölçümleri paralel plakadan daha başarılıdır. Bunun en büyük sebebi daha önce de belirtildiği gibi yüksek kayma hızlarını modelleyebilmesidir.