ITEM METADATA RECORD
Title: Effects of Viscoelasticity on Particle Motions in Sheared Suspensions (Effecten van viscoelasticiteit op de bewegingen van deeltjes in stromende suspensies)
Other Titles: Effects of Viscoelasticity on Particle Motions in Sheared Suspensions
Authors: Snijkers, Frank
Issue Date: 30-Oct-2009
Abstract: Dispersies van deeltjes in vloeistoffen met een intrinsiek complex strom ingsgedrag vinden vele technologische toepassingen zoals farmaceutische producten, verven, gevulde polymeren, nano-composieten en voedingsproduc ten. Deeltjes toevoegen aan niet-Newtoniaanse, viscoelastische vloeistof fen compliceert het stromingsgedrag van deze vloeistoffen aanzienlijk. H et begrijpen en beheersen van het gedrag van colloïdale deeltjes, en hun stromingsgeïnduceerde microstructuren in complexe vloeistoffen is van b elang voor het ontwerpen van producten en processen en het controleren v an processen. De stromingseigenschappen van een suspensie hangen in vele gevallen zeer sterk af van de relatieve bewegingen van de deeltjes en hun hydrodynami sche interactie. Hoewel de hydrodynamische effecten, de macroscopische s tromingseigenschappen en de geïnduceerde microstructuren in Newtonse vlo eistoffen goed begrepen zijn, is dit niet het geval voor deeltjes gesusp endeerd in complexe vloeistoffen. Viscoelastische vloeistoffen hebben typisch een stromingsverwekende visc ositeit, normaalspanningen en geheugen (tijdseffecten). Wanneer aan zulk e vloeistoffen deeltjes worden toegevoegd, verhoogt de complexiteit aanz ienlijk. Zo zijn er interessante stromingsgeïnduceerde structuren waarge nomen in deze vloeistoffen die afwezig zijn in Newtonse vloeistoffen. Zo als de vorming van lange kettingen van deeltjes onder stroming. In dit w erk is een poging gedaan om meer fundamenteel inzicht te krijgen in de b ewegingen van deeltjes in viscoelastische vloeistoffen onder stroming. D e focus ligt hierbij op hydrodynamische effecten, lage concentraties en goed gedefinieerde systemen. De studie is dus enkel gedaan vanuit hydrod ynamisch oogpunt, gefocusseerd op de effecten van de viscoelasticiteit o p de bewegingen van de deeltjes onder stroming. Er is gekeken naar mogel ijk subtiele effecten van constitutief gedrag van de vloeistoffen. De vl oeistoffen die gekozen zijn vertonen een divers reologisch gedrag: een N ewtonse vloeistof als referentie, een zogenaamde "Boger vloeistof" met e en constante viscositeit en een hoge elasticiteit, een "wormlike micella r"-oplossing die slechts één relaxtietijd heeft, en een typische st romingsverwekende viscoelastische polymeeroplossing met een breed relaxa tiespectrum. De effecten van verschillend constitutief gedrag van de vloeistoffen op fundamentele, relatief eenvoudige stromingsproblemen uit suspensie reolo gie zijn in dit werk in detail bestudeerd. Steeds is gekeken naar mogeli jk subtiele effecten van het constitutief gedrag van de vloeistoffen op de bewegingen van deeltjes. Als eerste probleem is de rotatie van é én enkel sfeertje in afschuifstroming bestudeerd, als tweede probleem de migratie van een sfeertje in Couette stroming en als derde en laatste p robleem de interactie tussen twee sfeertjes van gelijke grootte in afsch uifstroming. De behaalde resultaten voor de drie onderzochte problemen w orden hieronder kort samengevat. De rotatiesnelheid van een sfeertje in een viscoelastische vloeistof ver traagt bij hogere afschuifsnelheden in vergelijking met de rotatiesnelhe id in een Newtonse vloeistof. Gevonden is dat de dimensieloze rotatiesne lheid schaalt met het Weissenberg getal, onafhankelijk van de details va n het reologisch gedrag van de vloeistoffen. Het Weissenberg getal blijk t voldoende om het vertragingseffect volledig te verklaren. Dit betekent dat het moment op een sfeertje enkel indirect beïnvloed wordt door het effect van de normaalspanning op het drukveld rond het deeltje. De resul taten worden vergeleken met 3D computer simulaties die de experimentele bevindingen bevestigen. Eén sfeertje migreert in Couette stroming in de richting van afnemende a fschuifsnelheidsgradiënt tenzij het sfeertje zich initieel dicht bij de wand bevindt, in dat geval migreert het naar deze wand toe. Hoewel voor iedere individuele vloeistof een evenredigheid gevonden is tussen de mig ratiesnelheid en de afschuifsnelheidsgradiënt vermenigvuldigd met het We issenberg getal, blijkt de migratiesnelheid afhankelijk te zijn van de d etails van het reologisch gedrag van de vloeistoffen. Een schaling gebas eerd op de macroscopische grootheden van de pure, onverstoorde vloeistof fen blijkt niet mogelijk. Meer bepaald is gevonden dat de migratiesnelhe id sterk afhangt van de mate van stromingsverweking van de vloeistof. Mo gelijk versterkt het verstoringsveld van het deeltje de lokale afschuifs nelheidsgradiënt en bijgevolg de normaalspanningseffecten en is migratie hierdoor sneller in sterker stromingsverwekende vloeistoffen. Mogelijk kan een schaling gevonden worden gebaseerd op de lokale waarden van groo theden die het verstoringsveld van het deeltje mee in rekening nemen. De ze hypothese zou onderzocht moeten worden met computer simulaties. De interactie tussen twee sfeertjes is sterk verschillend in de vloeisto ffen met stromingsverweking en de vloeistoffen met constante viscositeit . In de Newtonse vloeistof zijn de interacties symmetrisch zoals verwach t. In beide vloeistoffen met stromingsverweking blijken de interacties a symmetrisch te zijn en bevinden de deeltjes zich verder van elkaar in de richting van de snelheidsgradiënt na de interactie. Bovendien blijken d e finale afstanden tussen de sfeertjes in de richting van de snelheidsgr adiënt weinig afhankelijk te zijn van de afschuifsnelheid en dus van het Weissenberg getal in de elastische vloeistoffen met stromingsverweking. Voor de sterk elastische Boger vloeistof is de afstand tussen de deeltj es in de richting van de snelheidsgradiënt voor en na de interactie iden tiek, hoewel de trajectoriën niet perfect symmetrisch zijn. Gegeven de v erschillen tussen de vloeistoffen lijkt de mate van stromingsverweking d e meest plausibele parameter die de observaties kan verklaren. Het is ge weten dat stromingsverweking een zeer sterk effect heeft op de lubricati ekrachten in de kleine opening tussen de sfeertjes terwijl de bijdrage v an de normaalspanningen doorgaans klein is en gedomineerd wordt door de visceuze druk. Een gedetailleerd mechanisme zal gevonden moeten worden m et behulp van computer simulaties of mogelijkerwijs met experimenten die de krachten tussen de deeltjes bestuderen, vooral bij kleine naderingsa fstanden. Vergelijkingen met computer simulaties en de reeds bestaande literatuur zijn gemaakt waar mogelijk. Hoewel nog enkele vragen openblijven en, tot op de dag van vandaag nog onbestaande, 3D computer simulaties definitie f uitsluitsel zullen moeten geven over de mechanismes achter de waarnemi ngen en de redenen voor de geobserveerde verschillen in gedrag tussen de vloeistoffen, geven de gedane waarnemingen een vrij volledig beeld van het gedrag van harde bollen-suspensies bij lage deeltjesconcentraties en relatief lage elasticiteiten.
Publication status: published
KU Leuven publication type: TH
Appears in Collections:Soft Matter, Rheology and Technology Section
Chemical Engineering - miscellaneous

Files in This Item:

There are no files associated with this item.

Request a copy

 




All items in Lirias are protected by copyright, with all rights reserved.