Complex fluid instabilities and flow patterns in shear thickening fluids
Complex fluid instabilities and flow patterns in shear thickening fluids
批准号:
2442209
负责人:
金额:
$0.0万
依托单位:
依托单位国家:
英国
项目类别:
Studentship
财政年份:
2020
资助国家:
英国
项目状态:
未结题
起止时间:
2020 至 --
中文摘要
剪切增稠流体在施加应力时粘度增加。在极端情况下,悬浮液粘度增加数个数量级,材料从类液体变为类固体(不连续剪切增稠,DST)。剪切增稠,特别是DST,几十年来一直是复杂流体和流变学领域的一个棘手问题。然而,最近的突破已经引起了许多兴奋和科学辩论的起源DST,现在解释为从润滑过渡到摩擦颗粒接触,以应对增加的压力。本项目将研究涉及不连续剪切增稠流体的复杂流动模式和流体不稳定性,并将可观察到的动力学与新的理论模型联系起来。拟议的博士项目的灵感来自于对玉米淀粉悬浮液剪切增稠行为引起的新型流动不稳定性的初步观察。具体来说,项目的目标是研究1)剪切增稠流体沿斜面向下流动时横摇波的形成,2)DST材料液体射流中自由落体的高原-瑞利不稳定性,以及3)沿流动方向传播的密度波的潜在形成(类似于交通堵塞冲击波)。主要实验变量包括悬浮液密度(物镜1、2、3)、重力角(物镜1、3)、膜厚(物镜1、3)、液体流孔径(物镜2)和施加压力(物镜2)。观测对象包括波长、振幅、时空图、波速、液体流“岁差”和液滴形成动力学。与实验议程并行,我们将与西班牙巴斯克应用数学中心的Ellero教授密切合作,开发基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法的新模拟代码。除了标准的平行板流变测量外,模拟代码将根据上述丰富的实验结果进行基准测试。该项目的总体目标是揭示粒子间相互作用如何引起DST行为,从而引起复杂的流动动力学。该项目的结果将有助于更深入地了解剪切增稠流体流动中复杂的流动模式是如何出现的,这将有助于优化食品和制药行业的加工。
英文摘要
Shear thickening fluids display an increase in viscosity with applied stress. In the extreme, the suspension viscosity increases by orders of magnitude, and the material goes from liquid-like to solid-like (Discontinuous Shear Thickening, DST). Shear thickening, and DST in particular, has for decades been an intractable problem in the field of complex fluids and rheology. However, recent breakthroughs have generated much excitement and scientific debate as to the origins of DST, now explained as a transition from lubricated to frictional particle contacts in response to increased stress. This project will study complex flow patterning and fluid instabilities involving discontinuous shear thickening fluids and relate the observable dynamics to the new theoretical models. The proposed PhD project is inspired by preliminary observations of novel flow instabilities caused by the shear thickening behaviour of corn starch suspensions. Specifically, the project objectives are to study 1) The formation of roll waves during film flow of shear thickening fluids down inclined surfaces, 2) The free-fall Plateau-Rayleigh instability in liquid jets of DST materials, and 3) The potential formation of density waves travelling against the flow direction (analogous to traffic jam shock waves). The primary experimental variables include suspension density (Objectives 1,2,3), angle of gravity (Objectives 1,3), film thickness (Objectives 1,3), aperture diameter of liquid stream (Objective 2) and imposed pressure (Objective 2). Observables include wavelength, amplitude, space-time diagrams, wave velocities, liquid stream "precession" and droplet formation dynamics. In parallel with the experimental agenda, we will develop a new simulation code based on the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method in close collaboration with Prof. Ellero at the Basque Center for Applied Mathematics in Spain. The simulation code will be benchmarked against the rich experimental results described above, in addition to standard parallel plate rheological measurements.The overarching aim of the project is to reveal how the interparticle interactions give rise to DST behaviour which in turn give rise to complex flow dynamics. The project results will contribute to a deeper understanding of how complex flow patterns emerge in shear thickening fluid flows, which will allow optimisation of processing in the food and pharmaceutical sectors.
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