Microstructure and velocity fluctuations in a sedimenting megnetic suspension

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.