Особенности течения концентрированных суспензий твердых частиц

Концентрированные суспензии твердых частиц, широко используемые в фармацевтической, косметической и пищевой промышленности, демонстрируют сложную реологию. В реометрических одномерных течениях концентрированных суспензий может наблюдаться плавное или скачкообразное увеличение напряжений при плавном увеличении интенсивности скорости деформации. Это имеет отношение к появлению фазового перехода первого рода. Ранее предложена феноменологическая реологическая модель концентрированной суспензии твердых частиц в ньютоновской дисперсионной жидкости, характеризующаяся S-образной кривой течения и описывающая как непрерывное, так и скачкообразное увеличение интенсивности напряжений при равномерном увеличении интенсивности скорости деформации. Получены точные аналитические формулы для профилей скоростей течений суспензий в ротационных вискозиметрах. Предложенная модель модифицирована для учета неньютоновских свойств дисперсионной среды, при малых интенсивностях напряжений проявляющей псевдопластические свойства, а при больших - дилатантные. В данной статье для исследования особенностей течений в двумерных областях на ее основе создана численная модель расчета методом конечных элементов полей скоростей и диффузионно-конвективного переноса твердых частиц. В результате вычислительных экспериментов выявлены особенности течения высококонцентрированных суспензий в плоских и осесимметричных каналах. Показано, что в плоском диффузоре, в отличие от ньютоновской и псевдопластической жидкостей, продольная скорость суспензии замедляется у стенок, где напряжения максимальны, а в центральной части канала увеличивается. У затопленной струи в ограниченной стенками области обнаружено, что с ростом средней скорости поступающей чистой жидкости более, чем на 0,01 м/с, наблюдается образование локального вихря скорости, ограниченного слоем с высокой концентрацией частиц и более вязкой средой. Внутри вихря концентрация частиц минимальна.