科学讲座3（2022）100032非布朗悬浮液中剪切稀化的奇异情形Marco Elleroa，b，c，aBasque Center for Applied Mathematics，Alameda de Mazaldo 14，48400 Bilbao，SpainbIkerbasque，巴斯克科学基金会，María Díaz de Haro 3，48013 Bilbao，西班牙cZienkiewicz计算工程中心，斯旺西大学，斯旺西SA1 8QQ，英国A R T I C L E I N F O A B S T R A C T保留字：非布朗悬浮液流变学剪切变稀剪切变稠润滑变摩擦流动滑移有效双粘性模型剪切稀化通常在布朗悬浮液中报道，其中被理解为由熵力的相对贡献的减少引起。然而，它也经常在非胶体系统和名义上的牛顿矩阵在高体积分数的实验报告 尽管观察结果具有普遍性，但其origin仍然是一个有争议的问题，并且在通常观察到剪切增稠的数值模拟中很难重现该行为。近年来已经提出了几种解释，从小的粒子间间隙中隐藏的非牛顿效应（Vázquez-Quesada等人，Phys. Rev. Lett. 117（10），108001（2016），J.非牛顿。流体机械248，1-7（2017）），排除体积效应（Chatté et al. Soft Matter，14，879-89（2018））和可变摩擦系数（Chatté等人，Soft Matter，14，879-89（2018）; Tanner等人，Rheol.Acta57：635J. 流体机械：860，682最近出现的另一种可能性与在液-固界面处的颗粒间间隙中发生的滑移有关（Kroupa等人，2005）。Phys. Chem. Chem. 物理学：19，5979-5984（2017）; Vázquez-Quesada等人，Phys.Rev. Fluids 3（12），123302（2018）; Kumar等人，J.非牛顿流体机械：281，104312（2020））。在这次演讲中，我将回顾其中的一些问题和在此背景下发展的最新理论本文的视频可以在https://doi.org/10.1016/j.sctalk.2022.100032。通讯作者。电子邮件地址：mellero@bcamath.org。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 03 2接收于2022年5月11日;接受于2022年5月12日2772-5693/©2022Pblished d byElsevierLt d. 这是一个不操作的情况下，CCB Y-NC-ND许可证（http：//c re a t iv ec omo ns. or g/li ce nse s/by-n c-nd/4。0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkM. Ellero科学讲座3（2022）1000322图和表Fig. 1. 最简单的微粒系统。一种光滑球形非胶体（非布朗）颗粒（平均直径超过数十微米）的近单分散悬浮液，浸入标称牛顿流体中。从[1]。图二、非布朗悬浮液的相对悬浮液粘度与固体体积分数。加速斯托克斯动力学（ASD）与实验数据从[2]。M. Ellero科学讲座3（2022）1000323图3.第三章。不同固体体积分数下非胶体悬浮液的剪切稀化。溶剂为70重量%玉米糖浆和30重量%甘油分散相由43.0+/-5.7μm玻璃球制成从[3]。图四、不同固体体积分数下非胶体悬浮液的剪切稀化。基质是1000 cS动态粘度的标称牛顿Dow Corning有机硅润滑剂 分散相由直径为40.3 +/-4.3 μm的聚苯乙烯球制成，平均表面粗糙度为0.2 μm。从[4]。图五、在由直径为40-50 μm的聚苯乙烯球在硅油、74.7wt% Dow Corning 560胶体和25.3wt% Dow Corning 550胶体的混合物中制成的非胶体悬浮液中的剪切变稀。从[6]。M. Ellero科学讲座3（2022）1000324图六、 相对悬浮液粘度与固体体积分数的关系。粗糙粒子的斯托克斯动力学模拟，包括具有恒定摩擦系数的粒子间接触库仑力。从[8]。见图7。连续和不连续剪切增稠在不同浓度下的悬浮液粘度。粒子间接触库仑力的斯托克斯动力学模拟。黑色实线：摩擦系数μ= 1。蓝色虚线和点线：μ=0.1和0（无摩擦），浓度为0.54。较高的恒定摩擦系数促进增稠行为的增强从[9]。图8.第八条。在[11]的模拟中已经获得了具有软（有限范围排斥相互作用）的非布朗系统中的剪切稀化。对于直径为几微米的粒子，德拜长度在0.1 μm范围内。从[11]。然而，这种剪切稀化不会发生在标准润滑的硬球模型M. Ellero科学讲座3（2022）1000325见图9。非布朗剪切稀化在具有可变摩擦系数模型的摩擦颗粒的斯托克斯动力学模拟中获得。从[13]。图10个。 通过假设粗糙颗粒通过单个微凸体通过将摩擦系数与法向载荷联系起来的现象学关系相互作用，图12中报告的剪切变稀。 16可以复制。上述可变摩擦系数模型是基于从接触的凹凸体的弹性变形到塑性变形的转变以增加颗粒压力的从[13]。M. Ellero科学讲座3（2022）1000326图十一岁 使用简化的Stribeck关系对光滑球体之间的摩擦进行接触主导的颗粒间相互作用的离散元模拟表明，增加施加的剪切速率导致有效无量纲Sommerfeld数（s）减少，摩擦曲线从润滑状态过渡到边界状态（图a-左和d-右）。这增加了摩擦系数，导致这些非布朗悬浮液中的相反剪切增稠摘自[15]。图12个。光滑无摩擦球的非布朗悬浮液的相对悬浮粘度与固体体积分数的关系。 光滑粒子流体动力学结果（SPH）与斯托克斯动力学和实验数据。从[16]。M. Ellero科学讲座3（2022）1000327图13岁 轻度连续流体动力学剪切增稠。在硬球无摩擦模型中没有观察到剪切变稀。从[16]。图十四岁颗粒间挤压流产生的局部剪切速率分布与颗粒间分离的关系。较大的外加剪切速率会使分布向左上角拉伸，从而使液体可能经历的局部剪切速率值显著增加从[17]。图十五岁“隐藏”的非牛顿高剪切润滑模型由于局部粘度衰减，可以显著减少颗粒间耗散，并能够定性地改变图像，即从众所周知的温和连续增厚到剪切变稀。从[17]。M. Ellero科学讲座3（2022）1000328图十六岁左：实验中使用的两种不同道康宁硅油的流变特性以及颗粒间润滑相互作用中使用的拟合粘度曲线。右：与实验相比的相对悬浮液粘度的相应模拟结果在大剪切速率下的偏差是由于这些系统在实验中不可避免的边缘断裂从[18]。图十七岁不同固体体积分数下非胶体悬浮液的剪切稀化。基质是1000厘泊粘度的标称牛顿Dow Corning硅氧烷流体分散相由直径为40.3+/-4.3μm的聚苯乙烯球制成，平均表面粗糙度为0.2μm [4]。M. Ellero科学讲座3（2022）1000329图十八岁 模拟与实验比较|B|通过拟合实验相对粘度获得幂律指数（图 26）在剪切速率[0. 5-50] s-1范围内。准确恢复了随浓度增加的趋势从[17]。图十九岁 用两个高牛顿甘油基矩阵得到的非布朗体系的剪切稀化。报告固定固体体积分数0.4时的结果 模拟无法通过匹配溶剂的高牛顿流变学来重现这些结果。从[18]。M. Ellero科学讲座3（2022）10003210图20. [19]中探讨了流体动力学无滑移边界条件的限制。在两个接近的颗粒之间的挤压间隙中的流动滑移从[19]。图21. 滑移长度作为剪切速率的函数。Kroupa等人提出了一个唯象的滑移速度模型，假设近接触粒子间的压缩流发生滑移。在很低的变形下，恢复了通常的无滑移条件从[20]。M. Ellero科学讲座3（2022）10003211图22岁剪切稀化的相对悬浮液粘度可以得到。与[12]-中的自举机制类似，有效滑移参数可以通过拟合变薄区域的流变数据来推断从[20]。图23岁在低剪切速率和高剪切速率下具有两个平台的双粘性液体中两颗粒间有效润滑力的解析解。从[21]。图24岁双粘性模型可以再现具有表观滑移速度的间隙中的挤压流的速度分布。从[22]。M. Ellero科学讲座3（2022）10003212图二十五在双粘性模型中得到的表观滑移长度在颗粒表面上是不均匀的，并且与剪切速率有关。从[22]。图26岁两个球之间的有效双粘性润滑力可以捕获实验观察到的运动颗粒和平面基底之间的湍流滑移效应。这导致润滑力作为1/h（h：间隙）的函数的增加减小线：模型。圆圈：两个接近珠速度的测量力：2400nm/s（蓝色：无滑动），21，600 nm/s（红色：滑动）。从[22]。图27岁。在不同间隙h下，半径a = 10.4 μm的球与球表面之间的压缩流存在低粘度区。快照A-D对应于图35中突出显示的力中的点。从[22]。M. Ellero科学讲座3（2022）10003213图28岁 有效双粘性润滑力与Kroupa等人获得的有效润滑力的比较。 用现象学滑动模型（图 30）与Navier Stokes耦合。两张照片是一致的。从[22]。图第二十九章。从润滑动力学算法（LD）获得的模拟，其中双粘性润滑力模拟颗粒间的湍流滑移。在非布朗悬浮液中，即使对于高度牛顿的基质，只要滑移发生在消失的颗粒间间隙中，也可以重新建立显著的剪切稀化从[23]。致谢作 者 感 谢 众 多 为 这 项 工 作 做 出 贡 献 的 合 作 者 ： Adolfo Vazquez-Quesada，Sagaya Prasanna Kumar，Xin Bian，Pep Español，JoseAntonio Ruiz-Lopez，Juan de Vicente，Roger I。坦纳，诺曼·瓦格纳。资金这项研究得到了巴斯克政府通过BERC2018-2021计划，西班牙国家研究机构通过BCAM Severo Ochoa卓越认证SEV-2017-0718和项目PID 2020 -117080 RB-C55（“软物质实验的微观基础：计算纳米流体力学”）的支持，由AEI-MICIN和首字母缩略词“Compu-Nano-Hydro”资助。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] 罗杰岛戴绍聪，非胶体悬浮液中颗粒的粗糙度和流变性，流变学杂志。60（2016）809.[2] A. Sierou，J.F.Brady，浓缩非胶体悬浮液中的流变学和微观结构，J. 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