Modeling structure-flow coupling in complex fluids

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-12-15
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
68 + app. 44
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 212/2020
Abstract
Complex fluids encompass a wide variety of natural and manufactured substances which are utilized in ever larger quantities as our technical understanding of them develops. Landslides, foams, micellar solutions, polymer melts and granular suspensions all display the characteristic non-Newtonian behavior typical of complex fluids, which implies that their resistance to imposed flow (viscosity) does not remain constant over time and/or the intensity of the flow. This non-Newtonian behavior can be largely attributed to the internal, structure forming constituents and their interactions. Under imposed flow,this structure responds to the shear, for instance, by breaking up or forming new aggregates, which can macroscopically manifest itself as variations in viscosity. Modeling such complex fluid structure and its coupling to flow dynamics is accomplished here both by a phenomenological coarse-grained kinetic model and a diffusion model coupled to flow mechanics via the Navier-Stokes equations in the continuum limit. These models are explored then in the context of shear banding, localized shear and dewatering events involving a complex fluid. Additionally, submerged granular flows are described employing multi-scale modeling involving interactions at the microscopic level using the Discrete Element Method (DEM) and the macroscopic multiphase Navier-Stokes equations in the continuum limit. The results concerning shear banding and shear localization indicate the importance of the finite fluid inertia, occasionally neglected in rheological modeling, that is present in e.g. start-up flows and Large Amplitude Oscillatory Shears (LAOS). Contrary to the assumptions utilized in the literature, this inertia is sufficient to trigger significant shear localization and shear banding without any elastic response considerations, which is distinguishable due to a viscosity contrast between congested and fluidized regions in the sample. Similar regions are also observed in dewatering events of fibrous suspensions and an optimized dewatering scheme is developed based on homogenizing the highly uneven viscosity profile by pressure pulsing. Finally, the issue of a surging flow rate reported in submerged granular hopper flows, lacking a theoretical explanation at the time this thesis is written, is also displayed to result from similar transitions, mediated by the force chains formed in the structure of the granular material.

Rakenteellisia nesteitä on havaittavissa niin luonnossa kuin teollisessa ympäristössä ja niiden käyttö yleistyy sovelluksissa samalla, kun tekninen tietämyksemme niiden osalta lisääntyy. Maanvyörymät, vaahdot, surfaktanttisuspensiot, polymeerisulat sekä rakeiset aineet ovat kaikki esimerkkejä rakenteellisista nesteistä, joille tavanomaista on epänewtonilainen käytös virtauksessa. Näin ollen niiden virtausvastus eli viskositeetti muuttuu esimerkiksi virtauksen intensiteetin tai sen keston funktiona. Tämä käytös voidaan selittää viime kädessä näiden nesteiden sisäisellä rakenteella, jonka rakennetekijät vuorovaikuttavat niin keskenään kuin ympäröivän nesteen kanssa eri tavoin virtauksessa. Tämän ilmiömaailman mallintaminen toteutetaan tässä väitöstyössä karkeistetuilla kineettisellä rakennemallilla sekä diffuusiomallilla, jotka on kytketty virtausmekaanisiin suureisiin jatkumotasolla Navier-Stokes yhtälöiden avulla. Näiden mallien avulla tutkitaan leikkauksen aiheuttamaa vyöttymisilmiötä, leikkauksen lokalisaatiota sekä toisaalta kuitususpensioiden kuivaustapahtumia. Lisäksi väitöksessä moniskaalamallinnuksen turvin mallinnetaan rakeisten, vettyneiden materiaalien virtauskäytöstä mikroskooppisella tasolla vuorovaikutuksia kuvaavan Discrete Element Method (DEM) -menetelmän ja makroskooppisten Navier-Stokes-yhtälöiden avulla. Leikkauksen vyöttymiseen sekä lokalisaatioon liittyvät tulokset osoittavat, että rakenteellisen nesteen kokema inertia on olennaisessa osassa vyöttymisen laukaisemisessa. Tämä inertia, joka toisinaan huomioidaan riittämättömästi mallinnuksessa, voi olla seurausta esimerkiksi käynnistysvirtauksesta tai oskillatorisesta virtauksesta, jota esiintyy muun muassa paljon hyödynnetyssä Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) -protokollassa. Lisäksi rakenteellisen nesteen kuivaukseen liittyen havaitaan, että myös vyöttymisessä esiintyvien, rakentuneen nesteen notkenemiseen ja jäykkenemiseen liittyvien siirtymien tasoittaminen painepulssien avulla voidaan luoda optimoitu kuivausprotokolla. Lisäksi tähän asti heikosti ymmärretty virtausnopeuden sysäys vettyneiden rakeisten aineiden siilovirtauksissa voidaan luontevasti selittää näiden samaisten siirtymien avulla, joiden taustalla on rakeisten materiaalien tapauksessa niiden rakenteen muodostamat voimaketjut.
Description
Supervising professor
Alava, Mikko, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics ,Finland
Thesis advisor
Puisto, Antti, Dr., Aalto University,Finland
Keywords
non-Newtonian fluids, complex fluids, computational fluid dynamics, rakenteelliset nesteet, mallinnus, rakenteet, virtaus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Marko Korhonen, Mikael Mohtaschemi, Antti Puisto and Mikko Alava. Start-up inertia as an origin for heterogeneous flow. Physical review E, Volume 95, issue 2, pages 022608, February 2017.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201706205677
    DOI: 10.1103/PhysRevE.95.022608 View at publisher
  • [Publication 2]: Marko Korhonen, Kristian Wallgren, Antti Puisto, Mikko Alava and Ville Vuorinen. Shear localization in Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) flows of particulate suspensions. Submitted to Phys. Rev. Fluids, September 2020
  • [Publication 3]: Marko Korhonen, Antti Puisto, Mikko Alava and Thaddeus Maloney. The effect of pressure pulsing on the mechanical dewatering of nanofiber suspensions. Chemical Engineering Science, Volume 212, issue 2, pages 115267, February 2020.
    DOI: 10.1016/j.ces.2019.115267 View at publisher
  • [Publication 4]: Juha Koivisto, Marko Korhonen, Mikko Alava, Carlos Ortiz, Douglas Durian and Antti Puisto. Friction controls even submerged granular flow.Soft Matter, Volume 13, issue 41, pages 7657–7664, September 2017.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304591
    DOI: 10.1039/C7SM00806F View at publisher
Citation