Rheology and magnetization of dilute ferrofluid emulsions

Autor: Abicalil, Victor Guinancio e
Přispěvatelé: Oliveira, Taygoara Felamingo de
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UnB
Universidade de Brasília (UnB)
instacron:UNB
Popis: Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Este trabalho apresenta um estudo acerca da reologia e magnetização de emulsões diluídas de ferrofluido, quando submetidas a escoamentos cisalhantes simples e oscilatórios e à ação de campos magnéticos externos. Para tal, são realizadas simulações numéricas de uma gota de ferrofluido imersa em um fluido de fase contínua, assumindo que ambos os fluidos são Newtonianos, imiscíveis e de mesma viscosidade, que o ferrofluido é superparamagnético, e que o problema magnético pode ser tratado como magnetostático. As simulações foram realizadas com a utilização do código computacional FENRir, desenvolvido para este trabalho, em que o escoamento dos fluidos é calculado com base em um discretização em diferenças finitas de segunda ordem das equações de Navier-Stokes incompressíveis, com um método de projeção de segunda ordem para a discretização temporal e o método de Level Set para captura da posição da interface entre os dois fluidos. De modo a permitir a solução eficiente dos sistemas lineares associados à resolução do problema, são utilizadas rotinas de solução direta por análise de Fourier e o método dos Gradientes Conjugados com um precondicionador Multigrid. São apresentados resultados tanto para gotas não-magnéticas quanto gotas de ferrofluido, para os casos de escoamentos cisalhantes simples e oscilatórios, e sujeitas a campos magnéticos externos de diferentes direções e intensidades. Para o caso de escoamentos cisalhantes simples, são apresentados dados de morfologia da emulsão, representados pela deformação e ângulo de inclinação da gota, dados de reologia, representados pela viscosidade reduzida e primeira e segunda diferenças normais de tensão, e dados de magnetização, representados por sua magnitude e direção. Apesar de a gota ser considerada superparamagnética, as deformações induzidas pelo escoamento cisalhante fazem com que sua magnetização não seja perfeitamente alinhada ao campo magnético externo, induzindo um torque magnético no sistema, o qual é neutralizado por um torque hidrodinâmico oposto de igual magnitude, garantindo a conservação de momento angular em regimes de escoamento de Stokes. Para o caso de escoamentos cisalhantes oscilatórios, são apresentados valores para os módulos de perda e armazenamento, correspondentes aos comportamentos viscosos e elásticos da emulsão, respectivamente. This works presents an investigation regarding the rheology and magnetization of dilute ferrofluid emulsions, when subjected to simple and oscillatory shear flows and to external magnetic fields. To this end, numerical simulations of a ferrofluid droplet immersed in a continuous fluid phase are performed, with both fluids assumed to be Newtonian, immiscible and of the same viscosity, the ferrofluid assumed to be superparamagnetic and the magnetic problem assumed to be magnetostatic. Simulations were performed using the computational code FENRir, developed for this work, in which the fluid flow problem is solved by using a second-order, finite difference discretization of the incompressible Navier-Stokes equations, alongside a second-order projection method for temporal discretization and the Level Set method to capture the position of the interface between the two fluids. To allow for an efficient solution of the linear systems of equations associated to the solutions of the governing equations, the computational code uses direct solution via Fourier analysis and the Conjugate Gradient method with Multigrid preconditioning. Results are presented both for non-magnetic and ferrofluid droplets, subjected to simple shear and oscillatory shear flows and to external magnetic fields of varying intensities and directions. In the case of simple shear flows, results are presented for the emulsion’s morphology, represented by the droplet’s deformation and inclination angle, for the emulsion’s rheology, represented by the reduced viscosity and the first and second normal stress differences, and for it’s magnetization, represented by it’s magnitude and direction. Despite the superparamagnetic assumption for the ferrofluid phase, shear- induced droplet deformations cause the emulsion’s magnetization to not perfectly align to the external magnetic field, giving rise to a magnetic torque in the system, which is then counteracted by an equal and opposite hydrodynamic torque, ensuring the conservation of angular momentum in the Stokes flow regime. For oscillatory shear flows, results are presented for the storage and loss moduli, corresponding to the elastic and viscous behaviours of the emulsion, respectively.
Databáze: OpenAIRE
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