Droppinteraktioner och suspensionsflöden

If you want to follow the dissertation but are not able to do so via zoom, please contact luca@mech.kth.se for further information

Tid: Fr 2020-03-27 kl 10.00

Plats: https://kth-se.zoom.us/j/270282702 och sal F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm (English)

Ämnesområde: Teknisk mekanik

Respondent: Zhouyang Ge , Teknisk mekanik

Opponent: Associate Professor François Gallaire, École polytechnique fédérale de Lausanne

Handledare: Professor Luca Brandt, Teknisk mekanik

Abstract

Mikro- till millimeter stora droppar, exakt genererade eller hållna i en kontrollerad miljö, har stor potential i många olika tekniska tillämpningar. De representerar en grundläggande teknik vid uppbyggnad av metamaterial, transport av läkemedel i kroppen, som bärare av ytaktiva medel, vid minskning av friktion och dämpning av turbulens. Växelverkan mellan droppar från parvis till kollektivnivå är den viktigaste faktorn för att kontrollera dessa processer; ändå är lite känt om de detaljerade mekanismerna vid olika icke-ideala förhållanden. I denna avhandling kombineras ett antal studier som syftar till att belysa de fysikaliska principerna för dropp-växelverkningar och suspensionsflöden med numeriska simuleringar av högre och lägre noggrannhet.

Vi studerar först flödesassisterad droppmontering i mikrofluidkanaler och försöker utnyttja dropp-växelverkningar för att producera fotoniska bandgapmaterial. En ny interface-correction level set/ghost fluid method (ICLS/GFM) är utvecklad för att direkt simulera vätskedroppar under inverkan av utarmningskrafter. Jämfört med tidigare metoder bevarar ICLS/GFM den totala massan för varje fluid med hjälp av ett enkelt masskorrigeringsschema, och beräknar exakt ytspänningen och utarmningskrafterna under samma omständigheter. Detta tillämpas sedan för att undersöka droppklustring, något som observerats i mikrofluidiska experiment. Våra simuleringar, med stöd av teoretiska härledningar, antyder att den observerade snabba klustringen uppstår på grund av en kombination av starka utarmningskrafter och inneslutningsförmedlade skjuvkrafter på dropparna samt finjusterade inflödesförhållanden för mikrokanalen. Men samspelet mellan dessa 3D-effekter omöjliggör en enkel parameterberoende dropp-växelverkningsmodell vilket gör att utformningen av mikrofluidiska chips för fotonisk kristallfabrikation är svår i praktiken.

Nästa fokus i avhandlingen är implementeringen av en minimal hybrid lubrication/granular dynamics (HLGD) för simulering av täta partikelsuspensioner. Två huvudingredienser i modellen är (i) en referensram-invariant smörjmodell med kort räckvidd för sfäriska partiklar, och (ii) en stick/slip friktionskontaktmodell med mjuk kärna som aktiveras när partiklar överlappar varandra. Eftersom kontakt-växelverkningar dominerar fysikaliskt vid höga partikelkoncentrationer, förväntar vi oss att metodologin också är tillämplig för att undersöka inklämning av icke-sfäriska partiklar och reologi för skum.

Slutligen inkluderar vi också två studier rörande glidningsegenskaper hos vätske-bemängda ytor och droppstatistik i ett homogent turbulent skjuvflöde. Sammantaget ger resultaten av dessa simuleringar detaljerade flödesvisualiseringar, kvalitativt beroende av målfunktionen på olika reglerande parametrar, underlättar, experimentellt och teoretiskt, utformningen av mer robusta dragreducerande ytor samt förutsäger droppfördelningar i emulsioner.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-268953