Rheology and magnetization of dilute emulsions of surfactant-covered ferrofluid droplets

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Pimenta, Paulo Henrique Neves
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/46619
Resumo: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2023.
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spelling Rheology and magnetization of dilute emulsions of surfactant-covered ferrofluid dropletsReologia e magnetização de emulsões diluídas de gotas de ferrofluido cobertas por surfactanteCampo magnéticoReologiaDinâmica dos fluidosTese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2023.Neste trabalho, estudamos os efeitos combinados da elasticidade (), do fator de cobertura () do surfactante, do número de Péclet () e do campo magnético no escoamento em escala de gotas, além de seus impactos na reologia da emulsão e na magnetização média do sistema. Nossa análise considera uma única gota bidimensional coberta por surfactante de um ferrofluido superparamagnético suspenso em um líquido imiscível e não magnetizável, confinado em um canal entre placas paralelas. O sistema é submetido simultaneamente a um cisalhamento simples e a um campo magnético externo uniforme. Uma metodologia alternativa é proposta aqui, combinando o método level set, para capturar a interface, e o método closest point para resolver a equação de transporte do surfactante. Separamos as contribuições das fases diluídas para a viscosidade da emulsão em: viscosidade capilar [], associada ao salto de tensão normal, a viscosidade de Marangoni [], relacionada à tensão tangente à interface, e a viscosidade magnética [], ligado à intensidade do campo magnético. Além disso, quando a gota é submetida a um campo externo, também separamos as partes simétrica e antissimétrica do tensor de tensões ⟨⟩, dividindo a viscosidade da emulsão em duas contribuições distintas: viscosidade de cisalhamento [] e rotacional [], respectivamente. Nossos resultados mostram que, na ausência de campo magnético, e afetam a forma das gotas mais intensamente do que . Por outro lado, afeta diretamente a viscosidade da emulsão. Para ≫ 1, a viscosidade capilar diminui com , enquanto a viscosidade Marangoni cresce com . Tal mecanismo de compensação permite o aumento da viscosidade da emulsão com . Apresentamos também resultados para a primeira diferença de tensões normais. Na presença de um campo magnético, o comportamento reológico da emulsão é fortemente alterado, principalmente em regimes puramente advectivos ( ≫ 1), onde o tensoativo é varrido, não mais para as pontas das gotas, mas para regiões posteriores ou anteriores, dependendo da direção do campo. Este comportamento, somado ao alinhamento das gotas em relação ao escoamento, resulta em grandes variações da reologia do sistema, principalmente da viscosidade de Marangoni, uma vez que os locais das gotas de maior ∇ estão em regiões de alta e baixa taxa de cisalhamento local, respectivamente, quando o campo magnético é perpendicular e paralelo à direção do escoamento. Verificamos que embora as tensões de Marangoni não tenham efeito sobre a viscosidade rotacional, [] ̸= [] and [] ̸= [] + []. A diferença entre [] e [] aumenta com a intensidade do campo magnético e . Por sua vez, a distribuição do surfactante ao longo da superfície da gota tem um efeito maior na viscosidade de cisalhamento, aumentando-a à medida que e aumentam. Em relação à magnetização média do sistema, nossos resultados mostram que |M*| é uma função mais forte do comprimento projetado na direção do campo externo, onde as variações ao longo da faixa são devidas à forma da gota. Finalmente, mostramos que a magnitude do torque magnético aumenta com quando o campo magnético é perpendicular e quando o campo é paralelo, tem pequeno efeito sobre o torque magnético.In this work, we study the combined effects of surfactant elasticity (), coverage factor (), Péclet number (), and the magnetic field on the flow at droplet’s scale, in addition to its impacts on the emulsion’s rheology and the mean magnetization of the system. Our analysis considers a single two-dimensional surfactant-covered droplet of a superparamagnetic ferrofluid suspended in an immiscible, non-magnetizable liquid confined in a channel between parallel plates. The system is simultaneously subjected to a simple shear flow and an external uniform magnetic field. An alternative methodology is proposed here, combining the level set method, to capture the interface and the closest point method to solve the surfactant transport equation. We separate the dilute phase contribution to emulsion viscosity in the capillary viscosity [], associated to the normal stress jump, the Marangoni viscosity [], related to the stress tangent to the interface, and the magnetic viscosity [], linked to the magnetic field intensity. In addition, when the droplet is subjected to an external field, we also separate the symmetric and antisymmetric parts of the stress tensor ⟨⟩, dividing the emulsion viscosity into two distinct contributions: shear [] and rotational [] viscosities, respectively. Our results show that, in the absence of a magnetic field, and affect the droplet shape more intensely than the . On the other hand, directly affects the emulsion’s bulk viscosity. For ≫ 1, the capillary viscosity decreases with , while the Marangoni viscosity grows with . Such a compensation mechanism allows the increase of the bulk viscosity with . We also present results for the first normal stress difference. In the presence of a magnetic field, the emulsion rheological behavior is strongly altered, mainly in purely advective regimes ( ≫ 1), where the surfactant is swept, no longer to the droplet tips, but to posterior or anterior regions to these locations, depending on the direction of the field. This behavior added to the droplet alignment in relation to the flow, results in large variations of the system rheology, mainly regarding the Marangoni viscosity, since the droplet locations of larger ∇ are in regions of high and low local shear rate when the magnetic field is perpendicular and parallel to the main flow direction, respectively. We found that, although Marangoni stresses have no effect on the rotational viscosity, however [] ̸= [] and [] ̸= [] + []. The difference between [] and [] increases with the strength of the magnetic field and . Additionally, the surfactant distribution along the droplet surface has a larger effect on shear viscosity, increasing it as and increase. Regarding the system mean magnetization, our results showed that |M*| is a stronger function of the length projected in the direction of the external field, where the variations along of range are due to the droplet shape. Finally, we show that the magnetic torque magnitude increases with when the magnetic field is perpendicular and when the magnetic field is parallel, has a small effect on the magnetic torque.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)Programa de Pós-Graduação em Ciências MecânicasOliveira, Taygoara Felamingo dePimenta, Paulo Henrique Neves2023-10-04T21:29:20Z2023-10-04T21:29:20Z2023-10-042023-01-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfPIMENTA, Paulo Henrique Neves. Rheology and magnetization of dilute emulsions of surfactant-covered ferrofluid droplets. 2023. xxvi, 105 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas) — Universidade de Brasília, Brasília, 2022.http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/46619enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2023-10-04T21:29:20Zoai:repositorio.unb.br:10482/46619Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2023-10-04T21:29:20Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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