Contactless viscosity measurement by a gas film levitated droplet technique

Mesure de viscosité sans contact par lévitation de goutte sur film de gaz

¹ INPG, Génie Physique et Mécanique des Matériaux, UMR CNRS 5010, BP 46, 38402 Saint-Martin-d’Hères Cedex, France
² email address : Michel.Perez@gpm2.inpg.fr
³ CEA Grenoble, Laboratoire de Solidification et de ses Procédés, DTA-CEREM, 38041 Grenoble Cedex, France
⁴ INPG, Laboratoire de Thermodynamique et de Physico-Chimie Métallurgique, UMR CNRS 5614, B.P. 75, 38402 Saint-Martin-d’Hères Cedex, France
⁵ CNRS, Centre de Recherche sur les très basses températures BP 166, 38042 Grenoble Cedex, France

Abstract

A recently demonstrated aerodynamic levitation technique is used to perform contactless viscosity measurements. The dynamic response of a perturbed levitating droplet is presented. Classical model dealing with free oscillations and damping of droplets without gravity cannot correctly describe the correspondence between measured damping coefficient and viscosity. An energetic approach taking into account the flattened shape of the drop, the particular boundary conditions imposed by the set-up, and the velocity field of the liquid inside the drop, is introduced, leading to good agreement between experimental measurements and known viscosities of calibrated liquids. The set-up has been used to perform contactless viscosity measurement on metallic alloys in the semi-solid state (Cu-Ag, 1100 K).

Résumé

Une technique de lévitation de goutte sur film de gaz a été utilisée pour effectuer des mesures de viscosité sans contact. La réponse dynamique d’une goutte à des perturbations est étudiée. Les modèles classiques traitant des oscillations libres amorties de gouttes visqueuses sans gravité ne peuvent décrire correctement la relation entre le coefficient d’amortissement mesuré avec ce dispositif et la viscosité. Une approche énergétique prenant en compte la forme aplatie de la goutte, les conditions aux limites imposées par le dispositif, et le champ de vitesses à l’intérieur de la goutte permet de retrouver un bon accord entre les mesures et la viscosité de liquides calibrés. Ce dispositif a été utilisé pour faire des mesures de viscosité sans contact sur un alliage métallique à l’état semi-solide (Cu-Ag, 1100 K).