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

Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/893453
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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorOliveira, Taygoara Felamingo de-
Autor(es): dc.creatorPimenta, Paulo Henrique Neves-
Data de aceite: dc.date.accessioned2024-10-23T15:50:42Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2024-10-23T15:50:42Z-
Data de envio: dc.date.issued2023-10-04-
Data de envio: dc.date.issued2023-10-04-
Data de envio: dc.date.issued2023-10-04-
Data de envio: dc.date.issued2023-01-18-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/46619-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/893453-
Descrição: dc.descriptionTese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2023.-
Descrição: dc.descriptionNeste trabalho, estudamos os efeitos combinados da elasticidade (𝐸), do fator de cobertura (𝑋) do surfactante, do número de Péclet (𝑃𝑒) 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 [𝜂𝑐], associada ao salto de tensão normal, a viscosidade de Marangoni [𝜂𝑚], relacionada à tensão tangente à interface, e a viscosidade magnética [𝜂𝑚𝑎𝑔], 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 ⟨𝜎⟩, dividindo a viscosidade da emulsão em duas contribuições distintas: viscosidade de cisalhamento [𝜂𝑠] e rotacional [𝜂𝑟], respectivamente. Nossos resultados mostram que, na ausência de campo magnético, 𝐸 e 𝑋 afetam a forma das gotas mais intensamente do que 𝑃𝑒. Por outro lado, 𝑃𝑒 afeta diretamente a viscosidade da emulsão. Para 𝑃𝑒 ≫ 1, a viscosidade capilar diminui com 𝑋, enquanto a viscosidade Marangoni cresce com 𝑋. Tal mecanismo de compensação permite o aumento da viscosidade da emulsão com 𝑋. 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 (𝑃𝑒 ≫ 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 ∇𝑠𝜎 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, [𝜂𝑟] ̸= [𝜂𝑚𝑎𝑔] and [𝜂𝑠] ̸= [𝜂𝑐] + [𝜂𝑚]. A diferença entre [𝜂𝑟] e [𝜂𝑚𝑎𝑔] aumenta com a intensidade do campo magnético e 𝑋. 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 𝑃𝑒 e 𝑋 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 𝑋 são devidas à forma da gota. Finalmente, mostramos que a magnitude do torque magnético aumenta com 𝑋 quando o campo magnético é perpendicular e quando o campo é paralelo, 𝑋 tem pequeno efeito sobre o torque magnético.-
Descrição: dc.descriptionIn this work, we study the combined effects of surfactant elasticity (𝐸), coverage factor (𝑋), Péclet number (𝑃𝑒), 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 [𝜂𝑐], associated to the normal stress jump, the Marangoni viscosity [𝜂𝑚], related to the stress tangent to the interface, and the magnetic viscosity [𝜂𝑚𝑎𝑔], 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 ⟨𝜎⟩, dividing the emulsion viscosity into two distinct contributions: shear [𝜂𝑠] and rotational [𝜂𝑟] viscosities, respectively. Our results show that, in the absence of a magnetic field, 𝐸 and 𝑋 affect the droplet shape more intensely than the 𝑃𝑒. On the other hand, 𝑃𝑒 directly affects the emulsion’s bulk viscosity. For 𝑃𝑒 ≫ 1, the capillary viscosity decreases with 𝑋, while the Marangoni viscosity grows with 𝑋. Such a compensation mechanism allows the increase of the bulk viscosity with 𝑋. 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 (𝑃𝑒 ≫ 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 ∇𝑠𝜎 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 [𝜂𝑟] ̸= [𝜂𝑚𝑎𝑔] and [𝜂𝑠] ̸= [𝜂𝑐] + [𝜂𝑚]. The difference between [𝜂𝑟] and [𝜂𝑚𝑎𝑔] increases with the strength of the magnetic field and 𝑋. Additionally, the surfactant distribution along the droplet surface has a larger effect on shear viscosity, increasing it as 𝑃𝑒 and 𝑋 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 𝑋 range are due to the droplet shape. Finally, we show that the magnetic torque magnitude increases with 𝑋 when the magnetic field is perpendicular and when the magnetic field is parallel, 𝑋 has a small effect on the magnetic torque.-
Descrição: dc.descriptionFaculdade de Tecnologia (FT)-
Descrição: dc.descriptionDepartamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)-
Descrição: dc.descriptionPrograma de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Idioma: dc.languageen-
Direitos: dc.rightsAcesso Aberto-
Palavras-chave: dc.subjectCampo magnético-
Palavras-chave: dc.subjectReologia-
Palavras-chave: dc.subjectDinâmica dos fluidos-
Título: dc.titleRheology and magnetization of dilute emulsions of surfactant-covered ferrofluid droplets-
Título: dc.titleReologia e magnetização de emulsões diluídas de gotas de ferrofluido cobertas por surfactante-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
Aparece nas coleções:Repositório Institucional – UNB

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