「悬浮动力学：粘性搅拌悬浮液的实验研究」

科学讲座3（2022）100034悬浮动力学：从积累到不稳定李成贤明尼苏达大学，明尼阿波利斯，美国A R T I C L E I N F O A B S T R A C T保留字：粘性搅拌悬浮液剪切诱导迁移悬浮平衡模型在这次演讲中，我们将研究悬浮颗粒的存在如何通过产生局部流变学的变化而导致不稳定性。首先，我们观察到一个粒子引起的不稳定性时，混合物的非胶体颗粒和粘性油取代空气内的Hele-Shaw细胞。 实验结果表明，颗粒容易在油气界面上聚集，从而导致界面附近的粘性摩擦。我们介绍了粒子积累的机制和合理化的临界波数的不稳定性的基础上减少的数学模型。在演讲的第二部分，我们通过实验将硅油注入到Hele-Shaw细胞内相同油和颗粒的混合物中，进一步深入研究了颗粒诱导的手指在此，纯油和悬浮液之间的粘度差预计会产生混溶粘性搅拌。 正如以前在纯液体中观察到的那样，我们的实验揭示了可混溶鳍状突起和薄间隙内形成的界面结构之间的联系，然而，与纯液体对应物不同，我们观察到颗粒诱导的界面结构变化，因为间隙厚度与颗粒直径的比率是系统变化的。我们讨论了这些变化背后的物理机制，是独特的悬浮液和控制悬浮液中的本文的视频可以在j.sctalk.2022.100034上找到。https://doi.org/10.1016/图和表图1.一、将具有不同体积分数的颗粒-油混合物注入径向Hele-Shaw池的实验图像。颗粒直径d由330μm给出，而Hele-Shaw电池的间隙厚度b近似等于1.3 mm。最右边的图像对应于纯油极限（λ0= 0），最左边的图像显示了λ0= 0.35时的实验 这些图像表明，粒子引起的粘性指状变得更加明显，因为α0逐渐增加（从右到左）。图片改编自Kimet al.[1]的文件。通讯作者。电子邮件地址：sungyon@umn.edu。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 03 4接收于2022年5月10日;接受于2022年5月15日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，需要遵循C CBY指令（http：//c re ati ve c mmo ns. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkS. 李科学讲座3（2022）1000342图二、β对β 0的曲线图，其中β是通过平均混合速度归一化的穿过间隙的平均颗粒速度，该平均混合速度是基于悬浮平衡模型计算的。插图显示，随着φ0的增加，归一化径向速度分布变得更钝这一综合数字采用了[2]中发表的数字图3.第三章。从实验数据中提取了深度平均颗粒浓度ε 0，ε0= 0.28，b/d = 10.2;将其绘制为径向位置r的函数，该径向位置r由膨胀界面的位置R（t）归一化。插图显示了在增加的时刻的λ与r的关系。图自[3]。图四、图中的颗粒浓度与颗粒浓度0的关系，其中颗粒浓度是指远离界面上游的深度平均颗粒浓度。正方形和三角形符号分别是间隙厚度为1.4 mm和1.3 mm的实验测量值，而实线是基于悬架平衡模型的理论预测值。S. 李科学讲座3（2022）1000343图五、示意图显示了导致颗粒诱导粘性指状的事件的顺序-即，颗粒在双流体-双流体界面上积聚，混溶粘性指状，然后是界面变形。 顶行对应于高沟道浓度或小b/d极限，其中颗粒急剧积聚以在界面上形成颗粒带。底行是大b/d极限，其中颗粒逐渐累积 这张图改编自以前发表在[1，2]中的数字。图六、基于标度律的β的解析表达式（红色实线）绘制为b/d的函数。空心符号对应于不同的Δ θ0值的实验数据。 插图显示了一个粒子的抛物线抛物线轮廓。图自[1]。图7.第一次会议。作为时间的函数的内半径R1的位置示出了理论与实验之间的良好匹配（空心正方形），而插图示出了随时间的粒子带V的体积。图自[4]。S. 李科学讲座3（2022）1000344图8.第八条。对于四个波数n，生长矩阵Xλ1的本征值被绘制为时间的函数。该图表明，在早期，较小的波数往往比较大的n更不稳定，并且在后期趋势反转。图与[4]中发表的图相比略有修改图9.第九条。对于不同的n值，内表面η1，n（主面板）和外表面η2，n（插图）的扰动幅度示出为随时间增长。顶部插图给出了具有最大振幅nm的波数。[14]小改小改。图10个。实验观察到的临界波数（平方）与在b=1.02mm时改变λ0的理论预测（理论）的比较。插图包括在注入Hele-Shaw池之前颗粒带的初始体积（V0）。[14]小改小改。S. 李科学讲座3（2022）1000345图十一岁 实验观察到的临界波数（正方形）与理论预测值（三角形）的比较，b为0.3。 插图示出了在V0= 0.3时改变b的V0。[14]小改小改。图12个。 作为迁移率比M（或λ0）和b/d的函数的状态图包括在将纯油注入悬浮液中105秒后实验的四分之一图像。图自[5]。图13岁从实验图像中提取平均界面变形l，并将其绘制为迁移率比M和/或Δ θ0的函数。该图包括两个不同的b值：b=2.31 mm（三角形）和b=1.40 mm（正方形）。图自[5]。S. 李科学讲座3（2022）1000346ffiffi图十四岁 在M = 1.33（λ0= 0.1）时，侵入悬浮液的油层（界面结构）的厚度显示抛物线形状，与间隙厚度b无关。图自[5]。图十五岁根据Beer-Lambert定律，从实验图像中提取了深度平均的颗粒浓度分布。然后，我们通过假设油层顶部和底部的局部浓度Δt/b对应于油侵入之前的Δ t，来提取油层的厚度h。插图显示了油侵入悬浮液的示意图此图是由[5]中发表的一个图修改而来的F IG。 16. 对于M = 1，该算法的结构被表示为r /pt的函数。33（100=0. ①的人。 该运算符将p和s运算为b=2。31m mm，并且该b ottomplot是atb=1。4毫米在这个迁移率比下，h以自相似的方式表现图自[5]。S. 李科学讲座3（2022）1000347图十七岁在M = 4.72（φ0= 0.35）时，油层不再呈抛物线状，而是呈钝头状。对于b = 2.31 mm（上图），钝头随时间持续存在，而对于b = 1.4 mm（下图），尖端逐渐变圆并随时间消失。图自[5]。图十八岁 t r与（b/d）2的关系图，其中t r是指钝头“消失”所需的总时间。该图包括不同粒径的数据d=100图自[5]。图十九岁经处理的实验图像表明，对于低至0.14的Δθ0，观察到颗粒在双流体-双流体界面上的积聚。然而，混溶的开始在0.00= 0.23附近观察到了指状颗粒积累和混溶指状化之间的这种滞后是特别令人感兴趣的。图自[3]。S. 李科学讲座3（2022）1000348致谢研讨会的特色研究，从作者的前任和现任学生和博士后。作者感谢他们的贡献。• Yun Chen• 本杰明·德鲁克• Alireza Hooshanginejad• 金正哲• Rui Luo• 冯旭资金这 项 工 作 得 到 了 国 家 科 学 基 金 会 的 支 持 [DMR-2003706 ， DMR-2011401（明尼苏达大学MRSEC），CBET- 1839103]。申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] J. Kim，F.Xu，S.李，粒子带的形成和不稳定性的双流体-双流体界面，物理评论Lett。94（2017），023112，https://doi.org/10.1103/PhysRevLett。 118.074501[2] F. 徐，J.Kim，S.Lee，Particle-induced viscousfingering， J.非牛顿流体力学238（201 6）92，ht tps：//d oi。或g/10。1016/j。jnnf m. 2016. 06. 014[3] R. Luo，Y.Chen，S.李，粒子诱导粘性指：回顾和展望，物理研究。 文件3（2 0 1 8）110 5 02，h tt ps：//d oi。或g/10。11 03/页记录文件。3 .第三章。11 0 5 02.[4] A. 胡尚金尼贾德湾Druecke，S.李，粒子带的稳定性分析，李文。FluidMec h. 8 6 9（20 1 9）R 2，https：//doi. 或g/10。10 17/jfm. 2019. 23 9.[5] R. Luo，Y. Chen，S.李，粒子诱导混溶指：连续极限，物理研究。 F LUI DS5（2 020）09 4 3 01，HT TPS：//D OI。或g/10。11 03/P hy sR ev Fl ui ds. 五、094301.进一步阅读[Tang例如，2000] H. 唐，W。格里瓦斯湾Homentcovschi，J.Geer，T.辛格，站-与Hele-Shaw悬浮液流中前进界面处的类椭球粒子带相关的能 力 考 虑 ， 物 理 评 论 快 报 。 85 （ 2000 ） 2112 ，https://doi.org/10。1103/PhysRevLett.85.2112。[Xu例如，2016 ]F. Xu，J. Kim，S. Lee，Particle-induced viscousfingering，J.Non-NewtonianFuidMec h.238（2016）92，h tt ps：//d oi.org/10.1016/j.jnnfm.2016.06.014。[Kim例如，J. Kim，F.Xu，S.李，形成和不稳定的部分-胶体-胶体界面上的微粒带，物理评论快报。94（2017）023112，（被选为物理评论快报https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118。074501。[Luo例如，2018年] R. Luo，Y.Chen，S.李，粒子诱导粘性指状：再-View and outlook ， Physical Rev. Fluids 3 （ 2018 ） ，110502，（Invitedpaper）https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3. 110502[Xu和Lee，2019]F. Xu，S.李，粘性翅片的增强，双分散颗粒悬浮液，J. Fluid Mech.860（2019）4 87- 5 09，http：/ /dol. 或g/10。10 17/j fm. 2018八四六。[Hooshanginejad等人，2019年] A.胡尚金尼贾德湾Druecke，S.李，稳定性分析流体力学杂志8 6 9（20 19）R 2，https：//doi. 或g/10。1017/j fm. 2019. 239[Lajeunesse等人，1997年] E. Lajeunesse，J.马丁，N.Rakotomalala，D.萨林，三-Hele-Shaw盒中可混溶位移的维数不稳定性，物理。Rev.Lett. 79（1997）5254，https://doi.org/10。1 1 03/P hysR ev Lett. 七九。5 2 54.[Bischofberger等人，2014年]I. 比朔夫贝格尔河Ramachandran，S.R.纳格尔，指法ver-在 零 界 面 张 力 极 限 下 的 sus 稳 定 性 ， Nat. Commun. 5（2014），2014https://www.nature.com/arti-cles/ncomms6265.[Luo例如，2020年]红腹滨藜R. Luo，Y.Chen，S.李，粒子诱导混溶指：连续极限，Physical Rev. Fluids 5（2020），094301，http s：//do i. 或g/10。1 1 0 3/页记录文件。五、0 9 4 3 0 1.SungyonLee是明尼苏达大学机械工程副教授，她于2017年开始担任Benja-min Mayhugh助理教授。她完成了博士学位。和史密斯麻省理工学院机械工程学士在加州大学伯克利分校的机械工程在Ecole Polytechnique博士后和加州大学洛杉矶分校应用数学系兼职教授职位之后，她于2013年至2017年担任德克萨斯州农工大学博士Lee的流体力学研究小组专注于将复杂的物理现象简化为易于处理的问题，这些问题可以通过桌面实验可视化感兴趣的物理系统的范围从液滴和气泡，颗粒负载的湍流和界面，两相湍流通过多孔介质。