Numerical study of particle suspensions in non-Newtonian fluids
Tid: Fr 2026-02-27 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Shahriar Habibi , SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Strömningsmekanik
Opponent: Full Professor Seyed-Mohammad Taghavi, Université Laval
Handledare: Full professor Outi Tammisola, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Strömningsmekanik
QC 260204
Abstract
Elastoviskoplastiska (EVP) fluider finns överallt i naturen och inom tekniken. De förekommer i biologiska system såsom blod och cellens cytoskelett, liksom i geofysiska fenomen såsom laviner och jordskred. De spelar också en central roll i många tillämpningar, från transport av vaxhaltig råolja till additiv tillverkning och tillförsel av läkemedel i människokroppen. En kännetecknande egenskap hos dessa material är förekomsten av en kritisk flytspänning, under vilken materialet uppträder som ett viskoelastiskt fast ämne och över vilken det flyter som en vätska.Många EVP fluider innehåller dessutom ytterligare faser, såsom stela partiklar, vars interaktioner har stor påverkan på flödesdynamiken. För att kunna förutsäga dessa flöden krävs förståelse för hur bärarefluidens icke-Newtoniska egenskaper påverkar partikelns fördelning, hur partiklarna förändrar det omgivande flödesfältet och hur partikel–fluidinteraktioner bestämmer suspensionens övergripande beteende. Syftet med detta arbete är därför att fördjupa den fysikaliska förståelsen av flerfasflöden genom att utveckla och använda högupplösta numeriska simuleringar för att studera det individuella och kollektiva beteendet hos olika partikelstorlekar i EVP bärarefluider.
Resultaten visar på den starka påverkan som partiklarnas form och fluidens reologi har på suspensionens beteende. Till exempel, kan EVP suspensioner uppvisa betydande motståndsminskning jämfört med Newtonska suspensioner med samma viskositet. Partiklarna förflyttar sig mellan strömlinjerna beroende av både deras form och fluidens icke-Newtoniska egenskaper. Simuleringarna av EVP suspensioner valideras mot tillgängliga experimentella mätningar av sfäriska partiklar av ändlig storlek i kanalströmning av Carbopol. Ytterligare simuleringar av droppar spridda i turbulenta EVP flöden visar att bärarevätskans elasticitet och flytspänning starkt påverkar morfologin, storleken och rumsfördelningen av dropparna. Dessutom visar numeriska simuleringar och mikrofluidikexperiment att en justering av kanalgeometrin och vätskans elasticitet kan få partiklarna att fokusera precis i mitten av mikrokanalen. Slutligen utvecklas en effektiv `immersed boundary' metod för att modellera viskoelastiskt flöde runt fasta gränser, vilket förbättrar noggrannheten i beräkningen av spänningar nära de solida ytorna.