Реометрические течения концентрированных суспензий твердых частиц

  • Олег Иванович Скульский Институт механики сплошных сред УрО РАН
Ключевые слова: высококонцентрированные суспензии, реологическая модель, реометрические течения, аналитические решения, неньютоновская дисперсная среда, численное решение

Аннотация

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.

Литература


  1. Verdier C. Rheological properties of living materials. From cells to tissues // J. Theor. Med. 2003. Vol. 5. No. 2.
    P. 67-91. https://doi.org/10.1080/10273360410001678083

  2. 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.

  3. 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. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2007.03.008

  4. 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. https://doi.org/10.1007/s00397-009-0367-7

  5. 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. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104045

  6. 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. https://doi.org/10.1038/nmat3119

  7. 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. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2011.01.001

  8. Boyer F., Guazzell E., Pouliquen O. Unifying suspension and granular rheology // Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 107. 188301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.188301

  9. Nakanishi H., Nagahiro S., Mitarai N. Fluid dynamics of dilatant fluids // Phys. Rev. E. 2012. Vol. 85. 011401. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.85.011401

  10. Фортье А. Механика суспензий. М.: Мир, 1971. 264с.

  11. Урьев Н.Б.Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.:Химия, 1988. 255 с.

  12. TannerR.I. Engineering rheology. Oxford University Press, 2000. 586 p.

  13. Brown E., Jaeger H.M. Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming // Rep. Prog. Phys. 2014. Vol. 77. 046602. http://iopscience.iop.org/0034-4885/77/4/046602

  14. Denn M.M., Morris J.F. Rheology of non-Brownian suspensions // Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2014. Vol. 5.
    P. 203-228. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-060713-040221

  15. 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. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2014.06.001

  16. 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. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.052302

  17. 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. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.92.032202

  18. Ness C., Sun J. Shear thickening regimes of dense non-Brownian suspensions // Soft Matter. 2016. Vol. 12. P. 914-924. https://doi.org/10.1039/c5sm02326b

  19. 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. https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2015.12.009

  20. Nagahiro S., Nakanishi H. Negative pressure in shear thickening bands of a dilatant fluid // Phys. Rev. E.2016. Vol. 94. 062614. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.94.062614

  21. 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. https://doi.org/10.1063/1.4997053

  22. 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. https://doi.org/10.1122/1.4999237

  23. 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. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.098004

  24. 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. https://doi.org/10.1122/1.1895800

  25. 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. https://doi.org/10.1016/S0377-0257(98)00091-3

  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. (English version https://doi.org/10.1023/A:1020752101539)

  27. Аристов С.Н., Скульский О.И. Точное решение задачи течения раствора полимера в плоском канале // ИФЖ. 2003. Т. 76, № 3.С. 88-95. (English version https://doi.org/10.1023/A:1024768930375)

Опубликован
2020-09-30
Как цитировать
Скульский, О. И. (2020). Реометрические течения концентрированных суспензий твердых частиц. Вычислительная механика сплошных сред, 13(3), 269-278. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.3.21
Раздел
Статьи