Dinámica de suspensiones concentradas sometidas a vibración mecánica

Título

Dinámica de suspensiones concentradas sometidas a vibración mecánica

Colaborador

Piva, Marcelo Fabián
Boschan, Alejandro

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2020-12-10

Extensión

185 p.

Resumen

El presente trabajo de tesis analiza diferentes aspectos de la dinámica de una suspensión de partículas sometida a una vibración vertical. En las condiciones de trabajo, las partículas, más pesadas que el líquido en el que están dispersas (líquido portador), forman un lecho en el fondo del recipiente o sustrato. La capa de líquido que sobrenada el lecho de partículas está en contacto también con las paredes laterales del recipiente y con el aire (superficie libre).
Para estudiar la interacción entre el líquido portador, las partículas y el recipiente, utilizamos un abordaje progresivo en cuanto a la complejidad del sistema en estudio, que considera primero el caso de una capa de líquido puro que sobrenada a un sustrato rugoso y permeable que imita un lecho consolidado de partículas, para luego analizar el caso de un lecho no consolidado, en el cual, en principio, la dinámica de las partículas y del líquido están acopladas. Se emplearon técnicas de visualización y fotométricas para determinar la naturaleza de las estructuras de flujo en forma de ondas en la capa de líquido, su correlación con los patrones que se observan en el lecho de partículas, y las condiciones asociadas a la iniciación de movimiento y eventual resuspensión de las mismas
En el primer modelo experimental, se utilizaron como sustratos mallas metálicas de diferentes texturas, que se emplearon de dos maneras: sin modificar (abiertas), o selladas con una pintura impermeable. La variación en la textura y el sellado de las mallas permitió alterar la rugosidad y permeabilidad del sustrato, estudiándose su influencia en la aceleración umbral r c, y en la longitud de onda Aw, de la inestabilidad de Faraday que se presenta en forma de ondas en la capa de líquido sobrenadante. Como resultado principal se encontró que r c es mayor en presencia de una malla que para un sustrato liso, notablemente, tanto para mallas abiertas como para las selladas. Se comparan los resultados con predicciones de una teoría lineal para un sustrato liso. Se estimó un espesor efectivo de la capa líquida que depende de las características de las mallas
Los otros dos modelos experimentales buscaron estudiar la interacción entre las ondas en la superficie del líquido sobrenadante y el lecho no consolidado de partículas, con el interés tecnológico asociado a la técnica de plantillas líquidas. Ambos estudiaron aspectos complementarios:
El segundo, utilizando un recipiente cilíndrico y observación cenital, permitió determinar la naturaleza y características de las ondas en la capa de líquido sobrenadante y su relación con los patrones formados en el lecho de partículas. En las condiciones experimentales utilizadas, las ondas en el líquido son ondas capilares, de naturaleza armónica. Su longitud de onda característica, Aw, determinada por la frecuencia de vibración f, muestra correlación con la del lecho de partículas, Ap, que se presenta como una sucesión de crestas y valles en la dirección radial, formando anillos concéntricos. Se analizó cómo la rugosidad del lecho depende del número de Shields 0, que cuantifica la cizalla actuante sobre el lecho de partículas, encontrándose una dependencia cuadrática, con un cierto valor umbral.
El tercer modelo permitió la observación en vista de corte de un recipiente estrecho (configuración cuasi-2D). Por encima de la aceleración crítica r c , y dependiendo de la frecuencia de excitación f, aparecen ondas de Faraday en la capa de líquido que sobrenada al lecho de partículas
Se estudió la dependencia de r c con la frecuencia de vibración f y con el espesor de la capa de líquido sobrenadante Ah. Por otro lado, se caracterizaron tres regímenes (a,b,c) de comportamiento del lecho de partículas a medida que disminuye Ah, en los cuales:
(a) Las partículas están en reposo formando un lecho plano
(b) Se movilizan debido a su interacción con las ondas en la superficie del líquido, generando una rugosidad de forma periódica en el lecho.
(c) Comienzan a resuspenderse
La transición entre estos regímenes depende de f pero no del radio a de la partícula. Para el régimen (b), se correlacionó la longitud Aw y la altura h w de las ondas en el líquido con la longitud Ap y la altura característica del lecho de partículas Ahp. Los resultados obtenidos aportan elementos para caracterizar la interacción entre las partículas, las estructuras de flujo en el líquido portador y el recipiente. También, constituyen un aporte en virtud de perspectivas de aplicaciones tecnológicas, como por ejemplo, las asociadas a la técnica de plantillas líquidas.

The present thesis analyses different aspects of the dynamics of particle suspensions subjected to vertical vibration. In the working conditions, the particles, heavier than the liquid in which they are dispersed (carrier fluid), form a bed at the bottom of the container (substrate). The layer of liquid over the bed of particles is also in contact with the side walls of the container and with air (free surface)
In order to study the interaction between the carrier liquid, the particles and the container, we use a progressive approach in terms of the complexity of the system under study, which first considers the case of a layer of pure liquid over a rough and permeable substrate that imitates a consolidated bed of particles, and then analyses the case of an unconsolidated bed, in which, in principle, the dynamics of the particles and the liquid are coupled. Visualisation and photometric techniques were used to determine the nature of the wavelike flow structures in the liquid layer, their correlation with the patterns observed in the particle bed, and the conditions associated with the initiation of movement and eventual resuspension of the particles.
In the first experimental model, metal meshes of different textures were used as substrates, which were used in two ways: unmodified (open), or sealed with an impermeable paint. The variation in the texture and the sealing of the meshes allowed the roughness and permeability of the substrate to be altered, studying their influence on the threshold acceleration r c, and on the wavelength Aw, of Faraday’s instability which is presented in the form of waves in the supernatant liquid layer. As a main result, it was found that r c is greater in the presence of a mesh than for a smooth substrate, notably for both open and sealed meshes. The results are compared with predictions from a linear theory for a smooth substrate. An effective thickness of the liquid layer was estimated, which depends on the characteristics of the meshes.
The other two experimental models sought to study the interaction between waves on the surface of the supernatant liquid and the unconsolidated bed of particles, with the technological interest associated with the liquid template technique. Both studied complementary aspects:
The second, using a cylindrical vessel and zenithal observation, made it possible to determine, the nature and characteristics of the waves in the supernatant liquid layer and their relationship with the patterns formed in the particle bed. In the experimental conditions used, the waves in the liquid are capillary waves, of a harmonic nature. Their characteristic wavelength, Aw, determined by the vibration frequency f , shows correlation with that of the particle bed, Ap, which appears as a succession of ridges and valleys in the radial direction, forming concentric rings. We analysed how the roughness of the bed depends on the number of Shields 0 , which quantifies the shear acting on the particle bed, finding a quadratic dependence, with a certain threshold value
The third model made it possible to observe, in cut view, of a narrow vessel (quasi-2D configuration). Above the critical acceleration r c, and depending on the excitation frequency f , Faraday waves appear in the liquid layer overlying the particle bed.
The dependence of r c on the vibration frequency f and on the thickness of the supernatant liquid layer Ah was studied. On the other hand, three regimes (a,b,c) of particle bed behaviour as Ah decreases were characterised, in which:
(a) Particles are at rest, forming a plane bed
(b) Particles mobilise due to their interaction with the waves on the surface of the liquid, generating a periodic roughness in the bed.
(c) Particles begin to resuspend.
The transition between these regimes depends on f , but not on the a radius of the particle. For regime (b), the length Aw and height hw of the waves in the liquid were correlated with the length Ap and the characteristic height of the particle bed A hp.
The obtained results provide elements to characterise the interaction between the particles, the flow structures in the carrier liquid and the vessel. Also, they constitute a contribution regarding the perspectives of technological applications, such as those associated with the liquid template technique.