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Título: Microestrutura e magneto-reologia de ferrofluidos em cisalhamento : teoria e simulação
Outros títulos: Microstructure and rheology of ferrofluids in simple shear flow : theory and simulation
Autor(es): Rosa, Adriano Possebon
Orientador(es): Cunha, Francisco Ricardo da
Assunto: Ferrofluidos
Reologia
Viscosidade
Cisalhamento
Data de publicação: 7-Jan-2018
Referência: ROSA, Adriano Possebon. Microestrutura e magneto-reologia de ferrofluidos em cisalhamento: teoria e simulação. 2018. xxviii, 197 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2018.
Resumo: Neste trabalho é investigado o comportamento reológico de um ferrofluido em cisalhamento simples com um campo magnético uniforme transversal aplicado. São analisados os comportamentos da magnetização, da viscosidade e das diferenças de tensões normais em diferentes condições de campo magnético, de taxa de cisalhamento, de interação dipolar e de grau de polidispersidade. O estudo é feito por meio de simulação computacional direta de partículas usando Dinâmica Browniana. São incluídos os efeitos do movimento browniano, da camada de surfactante e da atração de van der Waals. As interações dipolares são computadas usando o método das Somas de Ewald, com um domínio de simulação periódico. Os resultados mostram que o aumento da viscosidade com o campo magnético aplicado é fortemente influenciado pela polidispersidade do ferrofluido e pela presença de interações dipolares. Por meio da análise do domínio de simulação, é possível observar a formação de estruturas em baixas taxas de cisalhamento, em especial para os ferrofluidos polidispersos. Os resultados mostram também uma diminuição da viscosidade do ferrofluido em função da taxa de cisalhamento, com comportamento diferente em duas regiões distintas. As diferenças de tensões normais existem mesmo sem interações dipolares, tendo origem nas colisões entre as partículas e na anisotropia inicial causada pelo cisalhamento. As interações dipolares intensificam as diferenças de tensões normais e deixam o comportamento dessas mais complexo, quebrando a monotonicidade em função da taxa de cisalhamento. Neste trabalho também são estudados modelos teóricos de magnetização em equilíbrio e fora de equilíbrio. É apresentada uma solução numérica para a equação de Smoluchowski para a função densidade de probabilidade de orientação de uma partícula magnética isolada. Com isso é possível verificar o comportamento de modelos teóricos comumente utilizados na literatura.
Abstract: In this work we investigate the rheological behavior of ferrofluids in a simple shear flow under the influence of an uniform applied magnetic field. Magnetization, viscosity and normal stress differences are studied in different conditions of applied magnetic field, shear rate, dipolar interaction magnitude and polydispersity. The investigation is made by direct numerical simulation of the particles using the Brownian Dynamics method. In addition, the effects of Brownian motion, surfactant layer steric repulsion and van der Waals attraction are included. The dipolar interactions are computed by Ewald summation technique and a periodic simulation box is used. The results show that the increase in viscosity with the magnetic field intensity is strongly dependent on ferrofluid polydispersity and dipolar interactions strength. By looking into the box configurations, it is possible to find structures of particles in the low shear rate regime, specially for the polydisperse cases. The results show also that a shear-thinning behavior is present, with two distinct regions. The normal stress differences are observed even in the absence of dipolar interactions, as a consequence of particle collisions and the anisotropy induced by the imposed shear. The dipolar interactions increase these normal stress differences and make their behavior non-monotonic as a function of shear rate. In this work, we also study theoretical models of equilibrium and non-equilibrium magnetization. A numerical solution of the Smoluchowski equation for the probability density function of an isolated magnetic particle orientation is performed. This solution is used in order to verify the behavior of magnetization models commonly used in the literature.
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018.
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