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Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.unb.br/handle/10482/38013
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Title: Microstructure and velocity fluctuations in a sedimenting megnetic suspension
Authors: Evangelista, Filipe Henrique de Sousa
Orientador(es):: Cunha, Francisco Ricardo da
Assunto:: Suspensões magnéticas
Flutuações de velocidade
Pressão de partículas
Difusividade
Interações hidrodinâmicas
Interações magnéticas dipolares
Sedimentação
Issue Date: 10-Jun-2020
Citation: EVANGELISTA, Filipe Henrique de Sousa. Microstructure and velocity fluctuations in a sedimenting megnetic suspension. 2019. xxv, 110 f., il. Dissertação (Mestrado em Ciências Mecânicas)—Universidade de Brasília, Brasília, 2019.
Abstract: Neste trabalho, efetua-se um estudo numérico das propriedades de suspensões magnéticas gás-sólido em escoamentos puramente viscosos. Primeiramente, investiga-se a sedimentação de uma partícula esférica isolada em fluido newtoniano, quando esta é suficientemente pequena para que forças brownianas sejam consideradas mas o número de Reynolds seja desprezável. Deste modo, conseguimos definir os parâmetros físicos apropriados para o escoamento de suspensões. As simulações para este caso simples ainda possibilitam a validação do método numérico para o cálculo da variância das flutuações de velocidade e a função autocorrelação destas flutuações em uma ampla faixa de números de Péclet e Stokes. Em seguida, efetuam-se simulações de Dinâmica de Langevin para integrar as equações governantes dos movimentos translacional e rotacional de N partículas mi- crométricas suspensas em um fluido puramente viscoso, incluindo interações hidrodinâmi- cas, para suspensões magnéticas e não-magnéticas. O primeiro objetivo desta dissertação é investigar o comportamento de curto tempo das flutuações de velocidade das partículas em suspensão, em termos da variância das tais. Também é apresentado um estudo do comportamento de longo tempo dessas flutuações de velocidade, calculando sua autocorrelação no tempo e a difusividade das partículas, que foi observada anisotrópica. Sabendo a variância das flutuações de velocidade a partir das simulações numéri- cas, determinou-se a pressão de partículas em termos da fração volumétrica de partículas, sendo esta relação tipicamente uma quantidade de fechamento em modelos de sistemas particulados complexos, como leitos fluidizados. Este cálculo baseado em princípios físicos é uma contribuição inédita deste trabalho, visto que modelos de pressão de partículas são geralmente heurísticos. Detalhes do tensor de flutuações de velocidade hidrodinâmicas e sua importância para a pressão de partículas e a viscosidade de partículas são discutidos. As simulações mostram clara evidência da pressão de partículas resultando do distúrbios ao escoamento produzidos pelas interações hidrodinâmicas na suspensão diluída. Finalmente, examinaram-se os efeitos das interações magnéticas dipolares e do campo magnético externo sobre as propriedades supracitadas. Notou-se que as interações magnéticas dipolares produzem uma recorrelação das flutuações de velocidade, causando um coeficiente de difusão divergente. Até onde se sabe, este também é um resultado inédito.
Abstract: In this work, we undertake a numerical study of properties of magnetic gas-solid suspensions of micron-sized particles sedimenting in creeping flow. First we investigate the sedimentation of an isolated spherical particle in a Newto- nian fluid when it is small enough for Brownian forces to be considered but the Reynolds number is negligible, in order to define the appropriate physical parameters of our sus- pension flows. The simulations for this simple case allow us to validate the numerical approach for calculating velocity fluctuations variance and autocorrelation function over a wide range of Péclet and Stokes numbers. Next, we perform Langevin Dynamics simulations to integrate the equations gov- erning the translational and rotational motions of N micron-sized spherical particles sus- pended in a viscous fluid, including hydrodynamic interactions between the particles, both for non-magnetic and magnetic suspensions. The first particular interest of this dissertation is to investigate the short-time behavior of the particle velocity fluctuations in this suspension in terms of its variance. We also present a study of the long-time behavior of these velocity fluctuations by calculating their time autocorrelation functions and the anisotropic particle diffusivities. Knowing the particle velocity variance from the numerical simulations, we deter- mine the particle-phase pressure in terms of the particle volume fraction, that usually being a closure quantity required in models of complex particulate systems such as flu- idized beds. This calculation based upon physical principles is a novel contribution of this work, since models of particle-phase pressure are typically heuristic. Details of the hydrodynamic velocity fluctuations tensor and its importance to determine the particle-phase pressure and particle viscosity are discussed. The simulations show clear evidence for the particle pressure arising from the flow disturbance produced by hydrodynamic interactions in a dilute suspension. Finally, we examine the effect of magnetic dipolar interactions and the intensity of the external field over these properties. We find out that magnetic dipolar interactions produce a recorrelation of velocity fluctuations, yielding a divergent diffusivity coefficient. To the best of our knowledge, this is also a novel result.
Description: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico (CNPq).
Appears in Collections:ENM - Mestrado em Ciências Mecânicas (Dissertações)

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