Spatially resolved rheology modeling of complex fluids

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-11-02
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72 + app. 59
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 152/2015
Abstract
Many complex fluids show yield stress behavior. However, the term yield stress has been subject of much controversy. The separation of yield stress fluids into thixotropic and simple ones resolves many of these issues. This division is mainly driven by experimental results and is suspect to active theoretical development. This thesis addresses yield stress fluids and associated phenomena through continuum modeling for fluids with time dependent structure evolution. In addition to homogeneous laminar shear modeling, the emergence of spatial effects in viscometric flow situations is addressed. Therefore the models are coupled to the creeping flow solution (1-D Stokes equation) of a concentric cylinder geometry, which enables comparisons with experimental observations. Further, the results from thixotropic yield stress fluids are applied to the analysis of rheology measurements of nanocellulose suspensions, which have peculiar rheological properties. In particular, shear rate sweeps are simulated utilizing a structural model for thixotropic yield stress fluids. The results indicate that spatial flow heterogeneities have to be taken into account. Additionally wall slip, which is known to play an important role in the flow of complex fluids is addressed through a simple model. The results in this thesis add to the understanding of nanocellulose suspensions and complex fluids in general.

Vaikka monilla kompleksisilla nesteillä on tunnetusti myötöraja, kyseiseen käsitteeseen ja sen määrittelyyn on kuitenkin liittynyt paljon ristiriitoja. Jakamalla myötörajanesteet yksinkertaisiin sekä tiksotrooppisiin, monet käsitteelliset ongelmat poistuvat. Tämä jako on toistaiseksi pitkälti kokeellisten tulosten varassa ja siihen liittyvä teoria on aktiivisen kehityksen alla. Tämä väitöskirja käsittelee myötörajaa ja siihen liittyviä ilmiöitä jatkumotason malleilla sellaisille nesteille, joilla on ajassa kehittyvä rakenne. Homogeenisen, laminaarisen leikkausvirtauksen lisäksi käsitellään spatiaalisten ilmiöiden syntyä. Tätä varten mallit yhdistetään sylinteri-sylinteri geometrian yksiulotteisen Stokesin virtauksen ratkaisuun mahdollistaen samalla vertailun kokeellisten havaintojen kanssa. Tiksotrooppisten myötörajanesteiden tuloksia sovelletaan nanoselluloosasuspensioden reologian analysointiin. Näiden suspensioden kokeellisia leikkausvirtauspyyhkäisyjä simuloidaan tiksotrooppisella rakennemallilla. Tulosten perusteella virtauksen  geometrisiä epähomogenisuuksia on otettava huomioon. Lisäksi kokeellisesti tärkeäksi havaittua liusumisilmiöta (wall slip), käsitellään yksinkertaisen mallin avulla. Tämän väitöskirjan tulokset edistävät nanoselluloosasuspensioden sekä yleisesti kompleksisten nesteiden ymmärrystä.
Description
Supervising professor
Alava, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Puisto, Antti, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
rheology modeling, yield stress, complex fluids, nanocellulose suspensions, reologiamallinnus, myötöraja, kompleksiset nesteet, nanoselluloosasuspensiot
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Mikael Mohtaschemi, Antti Puisto, Xavier Illa, and Mikko J. Alava. Rheology dynamics of aggregating colloidal suspensions. Soft Matter, 10 2971–2981, January 2014.
    DOI: 10.1039/C3SM53082E View at publisher
  • [Publication 2]: Antti Puisto, Mikael Mohtaschemi, Xavier Illa, and Mikko J. Alava. Dynamic hysteresis in the rheology of complex fluids. Physical Review E, 91 042314, April 2015.
    DOI: 10.1103/PhysRevE.91.042314 View at publisher
  • [Publication 3]: Mikael Mohtaschemi, Katarina Dimic-Misic, Antti Puisto, Marko Korhonen, Thaddeus Maloney, Jouni Paltakari, and Mikko J. Alava. Rheological characterization of fibrillated cellulose suspensions via bucket vane viscometer. Cellulose, 21 1305–1312 , March 2014.
    DOI: 10.1007/s10570-014-0235-1 View at publisher
  • [Publication 4]: Mikael Mohtaschemi, Anni Sorvari, Antti Puisto, Markus Nuopponen, Jukka Seppälä, and Mikko J. Alava. The vane method and kinetic modeling: shear rheology of nanofibrillated cellulose suspensions. Cellulose, 21 3913–3925, August 2014.
    DOI: 10.1007/s10570-014-0409-x View at publisher
  • [Publication 5]: Marko Korhonen, Mikael Mohtaschemi, Antti Puisto, Xavier Illa, and Mikko J. Alava. Apparent wall slip in non-Brownian hard sphere suspensions. The European Physical Journal E, 38 46, May 2015.
    DOI: 10.1140/epje/i2015-15046-y View at publisher
Citation