Controlling rotation and migration of rings in a simple shear flow through geometric modifications
Controlling rotation and migration of rings in a simple shear flow through geometric modifications
复制标题
通过几何修改控制简单剪切流中环的旋转和迁移
DOI：
10.1017/jfm.2018.20
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发表时间：
2018
影响因子：
3.7
通讯作者：
Koch, Donald L.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Borker, Neeraj S.;Stroock, Abraham D.;Koch, Donald L.
具有钝的内边缘和尖锐的外边缘的横截面的环可以在受到低雷诺数简单剪切流的牛顿流体中获得平衡取向。这可以与大多数刚体所表现出的连续旋转形成对比。当由于流体涡旋引起的旋转与由于简单剪切流的拉伸分量引起的反向旋转平衡时，这种环沿着取向对齐。当颗粒上的粘性应力试图使其旋转时，压力可以产生使颗粒对齐的反涡扭矩。使用边界积分计算，我们展示了通过改变环横截面的几何形状来有效控制这种压力的方法，从而导致在中等颗粒纵横比的对齐。缺乏前后对称性的对齐环可以沿梯度方向沿着无限期地迁移。这不同于在周期性轨道中旋转的前后不对称轴对称粒子的周期性空间轨迹。阐明了取向环沿着梯度方向迁移的机制。迁移速度可以通过改变环的横截面形状和尺寸来控制。我们的研究结果为控制单个粒子的运动提供了新的见解，从而为操纵悬浮液的宏观性质开辟了新的途径。
A ring with a cross-section that has a blunt inner and sharper outer edge can attain an equilibrium orientation in a Newtonian fluid subject to a low Reynolds number simple shear flow. This may be contrasted with the continuous rotation exhibited by most rigid bodies. Such rings align along an orientation when the rotation due to fluid vorticity balances the counter-rotation due to the extensional component of the simple shear flow. While the viscous stress on the particle tries to rotate it, the pressure can generate a counter-vorticity torque that aligns the particle. Using boundary integral computations, we demonstrate ways to effectively control this pressure by altering the geometry of the ring cross-section, thus leading to alignment at moderate particle aspect ratios. Aligning rings that lack fore–aft symmetry can migrate indefinitely along the gradient direction. This differs from the periodic spatial trajectories of fore–aft asymmetric axisymmetric particles that rotate in periodic orbits. The mechanism for migration of aligned rings along the gradient direction is elucidated in this work. The migration speed can be controlled by varying the cross-sectional shape and size of the ring. Our results provide new insights into controlling motion of individual particles and thereby open new pathways towards manipulating macroscopic properties of a suspension.
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