Transporte, dispersión y reversibilidad de un trazador en un flujo oscilante de suspensiones

Título

Transporte, dispersión y reversibilidad de un trazador en un flujo oscilante de suspensiones

Colaborador

Ippolito, Irene

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2025-11-27

Extensión

viii, 156 p.

Resumen

Esta tesis estudia el flujo oscilante de suspensiones de partículas no brownianas en canales estrechos. El flujo de suspensiones está presente en una gran variedad de situaciones naturales e industriales, y los flujos oscilantes son interesantes, en particular, por la influencia de las inversiones del flujo. Los experimentos previos realizados en nuestros laboratorios mostraron que los flujos oscilantes de suspensiones dentro de celdas de Hele-Shaw pueden ser inestables, resultando en una modulación de la concentración de partículas a lo largo de la celda. Este comportamiento resultó novedoso y motivó el presente estudio. Nuestro objetivo en este trabajo es entender esta inestabilidad a partir de las variaciones espaciales y temporales de variables macroscópicas (campos de velocidad y de concentración de partículas) y microscópicas (distribución de pares de partículas), tanto a la escala temporal de una sola oscilación, como durante el desarrollo de la inestabilidad, determinando así los parámetros que la controlan. Utilizamos técnicas experimentales que nos permitieron observar y rastrear partículas individuales dentro de la suspensión, calculando las variables antes mencionadas mediante procedimientos estadísticos. Las suspensiones se componen de partículas esféricas de PMMA (acrílico) suspendidas en líquidos newtonianos. Las partículas ocupan una fracción ???? de entre 0,2 y 0,4 del volumen total. Se utilizaron partículas con diámetros de 40 y 85 µm, lo suficientemente grandes para considerarlas no brownianas. Los líquidos son soluciones acuosas con la misma densidad e índice de refracción que las partículas, evitando así efectos de sedimentación y obteniendo suspensiones transparentes. Se estudia el flujo dentro de canales rectangulares cerrados con largo de 150 mm, espesor 2?? de 1 o 2 mm y ancho de 10 mm (respectivamente, direcciones ??, ??, ??). Una bomba de jeringas induce flujos periódicos con forma de onda cuadrada en el caudal (periodos entre 2 y 20 s), resultando en amplitudes de desplazamiento ?? entre 2 ?? y 20 ?? y números de Reynolds menores a 1. Mediante el uso de fluorescencia y un plano láser más fino que las partículas, observamos a las mismas en un corte ubicado en el medio del ancho, paralelo al largo y el espesor. Al comienzo de cada experimento, la fracción de volumen local ?? (concentración de partículas) y la velocidad longitudinal ???? son uniformes en la dirección ??, mientras la velocidad transversal ???? es ˜ 0. Luego de algunas de oscilaciones, y todavía con ???? ˜ 0, observamos que la fracción local ?? se ha vuelto marcadamente más grande en el centro del espesor (?? = 0) como consecuencia de la migración de partículas hacia allí inducida por el flujo de corte. Esto resulta en una mayor viscosidad en el centro y perfiles de velocidad más planos. Luego, el incremento de ?? en el centro se detiene y aparece un flujo secundario con velocidades transversales ???? no nulas y periódicas en ?? con una longitud de onda ˜ 7 ??: el mismo corresponde a una secuencia de celdas de recirculación que son arrastradas por el flujo principal y cambian de dirección con el mismo. Simultáneamente, la región de alta concentración de partículas cerca de ?? = 0 adquiere una forma ondulante con la misma longitud de onda. Este patrón también es arrastrado por el flujo principal. Las amplitudes del flujo secundario y del patrón ondulante en ?? aumentan en forma aproxima- damente exponencial hasta saturar. La correspondiente tasa de crecimiento aumenta con la fracción volumétrica promedio ???? y disminuye hasta cero al reducir la amplitud de oscilación a ?? ˜ ??. Estas observaciones nos sugieren que la inestabilidad está inducida por interac- ciones irreversibles entre las partículas, probablemente contactos sólidos, y que la inversión periódica de la dirección de flujo juega un papel importante. Observaciones a la escala de las partículas muestran una microestructura anisotrópica que debe reorganizarse cada vez se invierte la dirección de flujo.
This thesis studies oscillatory flows of neutrally-buoyant non-Brownian spherical particles suspensions in narrow channels. Flows of suspensions are widespread in nature, and industrial and biological systems, and the case of oscillatory flows is particularly interesting in view of the possible influence of flow reversals. Previous experiments in our laboratory have shown that the oscillatory flow of suspensions inside Hele-Show cells can be unstable, resulting in a modulation of the particle concentration along the length of the channel. Such a behavior was novel and motivated the present study. Our objective in this work has been to understand this instability from the time variations of the velocity and concentration fields and from those of the microstructure of the suspension both at the time scale of an oscillation period and at that of the development of the instability to de- termine the parameters controlling this onset. For this purpose, we used an optical technique allowing us to track individual particles inside the suspension and calculate both microscopic statistics (pair distributions) characterizing spatial correlations of the particle distribution and macroscopic quantities (local concentration and velocity) and their spatial variations and time dependence. We used PMMA (acrylic) spheres suspended in a Newtonian liquid with bulk particle volume fractions ???? between 0.2 and 0.4. The particles were spherical with diameters of 40 and 85 µm and, therefore, non-Brownian. The suspending fluid was an aqueous solution of same density and refractive index as the particles, in order to cancel sedimentation and render the sus- pension transparent. Flow took place in rectangular channels saturated with the suspension (length = 150 mm, thickness 2?? = 1 or 2 mm, width = 10 mm corresponding respectively to the ??, ?? and ?? directions). A programmable syringe pump induces periodic square wave flow rate variations (periods ?? = 2 - 20 s) resulting in displacement amplitudes ?? = 2 ?? - 20 ?? and Reynolds numbers below 1. Using a fluorescent fluid and illuminating the channel by a thin laser plane (20 µm) parallel to its length and thickness and located in the middle of the thick- ness allows us to observe the particles as dark circles and determine their individual location and velocity and their local concentration. At the beginning of each experiment, the average local volume fraction ?? and the velocity component ???? are constant with ?? and the transverse component ???? is ˜ 0. Then, after a few oscillations, and still with ???? ˜ 0, the local fraction ?? becomes larger in the center (?? = 0) than near the walls (?? = ±??) due to shear-induced particle migration, resulting in a higher viscosity in this region and a blunted velocity profile. The rate of migration appears to be strongly related to the development of the instability. Then, the increase of ?? levels off and a periodic transverse secondary flow component ???? of wavelength ˜ 7 ?? along ?? appears: it corresponds to a sequence of recirculation cells of alternating directions changing at mean flow reversals and convected by it. Simultaneously, the band of high particle concentration near ?? = 0 develops transverse distortions of same wavelength which, too, are convected by the oscillations of the mean flow. The amplitude of both the secondary flow velocity and the distortions of the high ?? band in- crease roughly exponentially until a saturation is reached. The corresponding growth rate increases with the bulk volume fraction ???? and becomes zero below a threshold value ??/?? ˜ 1 of the strain amplitude. Both observations suggest that the instability is driven by irreversible particle interactions, most probably by solid contacts, and that the flow reversal plays an im- portant part in its development. The microstructure of the particle pair distribution before the onset of the instability is shown to be asymmetric with a transient excess of separating pairs after each flow reversal.