Реометрические течения концентрированных суспензий твердых частиц
Автор: Скульский Олег Иванович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
Проведен анализ публикаций, посвященных экспериментальным и теоретическим исследованиям реологических свойств концентрированных суспензий твердых частиц. Согласно принятым в данное время представлениям, реологию суспензий рассматривают как результат контактного взаимодействия составляющих их частиц, вызванного действием внешних сил образования и разрушения конгломератных структур различного типа. Предложена новая реологическая модель высококонцентрированной суспензии твердых частиц в ньютоновской жидкости, описывающая как непрерывное, так и скачкообразное увеличение эффективной вязкости при равномерном увеличении сдвиговых напряжений. Получены точные аналитические формулы для профилей скоростей течений суспензий в ротационных вискозиметрах «конус-плоскость» и «цилиндр-цилиндр», а также в щелевом вискозиметре. Предложенная модель модифицирована для учета неньютоновских свойств дисперсионной среды, которая при малых скоростях деформации проявляет псевдопластические свойства, а при больших - дилатантные. Эффективная вязкость такой суспензии представлена как сумма вкладов от неньютоновской дисперсионной среды и твердых частиц дисперсной фазы. Для описания реологии дисперсионной фазы использовалась модель Эллиса. Численно, методом конечных элементов, получены профили скоростей в плоском канале при заданном градиенте давления и показано, что в зависимости от параметров модели они могут принимать различные сложные формы.
Высококонцентрированные суспензии, реологическая модель, реометрические течения, аналитические решения, неньютоновская дисперсная среда, численное решение
Короткий адрес: https://sciup.org/143172495
IDR: 143172495 | УДК: 532.5.032 | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.3.21
Rheometric flows of concentrated suspensions of solid particles
Publications on experimental and theoretical studies of the rheological properties of concentrated suspensions of solid particles have been analyzed. According to the currently accepted ideas, the rheology of suspensions is considered as a result of contact interaction of their constituent particles caused by the action of external forces, the formation and destruction of various types of conglomerate structures. A new rheological model of a highly concentrated suspension of solid particles in a Newtonian fluid is proposed, which describes both a continuous and discontinuous increase in the effective viscosity with a uniform increase in shear stresses. Accurate analytical formulas are obtained for the velocity profiles of suspensions in rotational viscometers “cone-plane” and “cylinder-cylinder”, as well as in a slit viscometer. The proposed model is modified to take into account the non-Newtonian properties of a dispersion medium, which exhibits pseudoplastic properties at low strain rates, and dilatant properties at large strain rates. The effective viscosity of such a suspension is presented as the sum of the contributions from the dispersion medium and the solid particles of the dispersed phase. To describe the rheology of the dispersion phase, the Ellis model was used. The velocity profiles in a pressure driven flat channel are obtained numerically by the finite element method. It is shown that, depending on the parameters of the model, the velocity profiles in a flat channel can take various complex forms.
Список литературы Реометрические течения концентрированных суспензий твердых частиц
- Verdier C. Rheological properties of living materials. From cells to tissues // J. Theor. Med. 2003. Vol. 5. No. 2. P. 67-91
- Ходаков Г.С. Реология суспензий. Теория фазового течения и ее экспериментальное обоснование // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2003. Т. XLVII, № 2. С. 33-43.
- Guillou S., Makhloufi R. Effect of a shear-thickening rheological behaviour on the friction coefficient in a plane channel flow: A study by direct numerical simulation // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2007. Vol. 144. P. 73-86.
- Galindo-Rosales F.J., Rubio-Hernandez F.J., Velazquez-Navarro J.F. Shear thickening behavior of Aerosil® R816 nanoparticles suspensions in polar organic liquids // Rheol. Acta. 2009. Vol. 48. P. 699-708.
- Liu A.J., Nagel S.R. The jamming transition and the marginally jammed solid // Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2010. Vol.1. P. 347-369.
- Seth J. R., Mohan L., Locatelli-Champagne C., Cloitre M., Bonnecaze R.T. A micromechanical model to predict the flow of soft particle glasses // Nature Mater. 2011. Vol. 10. P. 838-843.
- Galindo-Rosalesa F.J., Rubio-Hernбndez F.J., Sevilla A. An apparent viscosity function for shear thickening fluids // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2011. Vol.166. P. 321-325.
- Boyer F., Guazzell E., Pouliquen O. Unifying suspension and granular rheology // Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 107. 188301.
- Nakanishi H., Nagahiro S., Mitarai N. Fluid dynamics of dilatant fluids // Phys. Rev. E. 2012. Vol. 85. 011401.
- Фортье А. Механика суспензий. М.: Мир, 1971. 264с.
- Урьев Н.Б.Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.:Химия, 1988. 255 с.
- Tanner R.I. Engineering rheology. Oxford University Press, 2000. 586 p.
- Brown E., Jaeger H.M. Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming // Rep. Prog. Phys. 2014. Vol. 77. 046602.
- Denn M.M., Morris J.F. Rheology of non-Brownian suspensions // Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2014. Vol. 5. P. 203-228.
- Ardakani H.A., Mitsoulis E., Hatzikiriakos S.G. Capillary flow of milk chocolate // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2014. Vol. 210. P. 56-65.
- Mari R., Seto R., Morris J.F., Denn M.M. Non monotonic flow curves of shear thickening suspensions // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 91. 052302.
- Pan Zh., de Cagny H., Weber B., Bonn D. S-shaped flow curves of shear thickening suspensions: Direct observation of frictional rheology // Phys. Rev. E. 2015. Vol. 92. 032202.
- Ness C., Sun J. Shear thickening regimes of dense non-Brownian suspensions // Soft Matter. 2016. Vol. 12. P. 914-924.
- Vázquez-Quesada A., Ellero M. Rheology and microstructure of non-colloidal suspensions under shear studied with Smoothed Particle Hydrodynamics // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2016. Vol. 233. P. 37-47.
- Nagahiro S., Nakanishi H. Negative pressure in shear thickening bands of a dilatant fluid // Phys. Rev. E.2016. Vol. 94. 062614.
- Vázquez-Quesada A., Wagner N.J., Ellero M. Planar channel flow of a discontinuous shear-thickening model fluid: Theory and simulation // Phys. Fluid. 2017. Vol. 29. 103104.
- Singh A., Mari R., Denn M.M., Morris J.F. A constitutive model for simple shear of dense frictional suspensions // J. Rheol. 2018. Vol. 62. P. 457-468.
- Singh A., Pednekar S., Chun J., Denn M.M., Morris J.F. From yielding to shear jamming in a cohesive frictional suspension // Phys. Rev. Lett. 2019. Vol. 122. 098004.
- Egres R.G., Wagner N.J. The rheology and microstructure of acicular precipitated calcium carbonate colloidal suspensions through the shear thickening transition // J. Rheol. 2005. Vol. 49. P. 719-746.
- Skulskiy O.I., Slavnov Ye.V., Shakirov N.V. The hysteresis phenomenon in nonisothermal channel flow of a non-Newtonian liquid // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 1999. Vol. 81. P. 17-26.
- Аристов С.Н., Скульский О.И. Точное решение задачи течения шестиконстантной модели жидкости Джеффриса в плоском канале // ПМТФ. 2002. Т. 43, № 6. С. 39-45.
- Аристов С.Н., Скульский О.И. Точное решение задачи течения раствора полимера в плоском канале // ИФЖ. 2003. Т. 76, № 3.С. 88-95.
