2023科学讲座：非胶体悬浮液的流变行为及模型构建进展

科学讲座5（2023）100109我们能理解和模拟非胶体悬浮液吗？罗杰岛坦纳澳大利亚悉尼大学自动清洁装置关键词：悬浮体非胶态非弹性模型A B标准本讲座是关于非胶体悬浮液的流变行为 有一个更好的悬浮模型比一个简单的广义牛顿流体的应用（例如注塑成型建模）将是有用的，在这里，我们报告在这个方向上的进展。为了建立模型，需要一组实验数据。 对于最简单的悬浮体，即牛顿矩阵中大小相等的刚性球体，我们现在有以下数据：(i) 稳定剪切粘度。(ii) 法向应力差-N1和N2。(iii) 单轴拉伸剪切（平面扩展太困难了）。(iv) 非定常剪应力图：我们将考虑反向应变和正弦应变。人们可以使用Criminale-Ericksen-Filbey（CEF）模型来描述稳定的剪切流（i，ii），但是这样的模型不能用于快速反转的剪切流。 因为悬浮体是完全非弹性的，所以需要一个没有时间常数的模型。这样一个非弹性模型，由于汤普森和苏扎门德斯（TSM模型）可以描述稳定的粘度测量的湍流，并与修改，它也可以描述突然逆转的剪切，其中应变从逆转点是重要的。一个更重要的测试模型是单轴拉伸的湍流-在这里的TSM模型表现得相当不错。（平面扩展可以计算，但没有实验可以比较;模型给出的特劳顿比为4，与计算一致）。最后，根据反向波纹的新实验，我认为很难找到这种悬浮液的线性响应（G'和G”）区域，因为在正弦应变输入下，总是存在导致非线性的应变反向，至少在球体粗糙度比的数量级的应变下，这里大约是10−4。本文的视频可以在j.sctalk.2022.100109上找到。https://doi.org/10.1016/通讯作者。电子邮件地址：roger. sydney.edu.au。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 10 9接收日期：2022年11月20日;接受日期：2022年11月30日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由El sevieL td发布。 这是一个在C CB Y-NC-NDL ic en s e（http：//c re ati ve c o m on s）下的操作。or g/lic ens es/by-nc-n d/4。0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkR.I. 坦纳科学讲座5（2023）1001092图和表图1.一、等规聚丙烯在140 ℃下的振荡流显示球形微晶。频率为1Hz，振荡时间为336 ~ 5289 s，结晶变化速率较慢。这种材料看起来像悬浮液-取自参考文献[1]的文件。表1与摩擦实验相比，无摩擦计算的相对粘度体积分数（φ）源0.10.20.30.40.5Sierou和Brady [2]1.332.23.146.2415Bertevas等人- -一种––3.166.53–Mari等人- -一种––3.7级6.213.5Gallier等人[3]第一章1.42.02.95.93–[4]第四节：–––5.6813.1指数.1.362.13.226.1213.9EX实验––3.89.743.0粒子间摩擦的重要性是显而易见的。R.I. 坦纳科学讲座5（2023）10010931000100100.1 10 100剪切速率[s-1]图二、体积分数为30、40和50%的硅油悬浮液的稳态剪切粘度;基质粘度为11.85 Pa. s。当剪切速率从0.1 s-1上升到10 s-1时，粘度略有降低。再往上就会出现裂缝。取自参考文献[5]的第10段。0.60.50.40.30.20.10滑动速度图3.第三章。作为滑动速度函数的典型摩擦系数示意图。Stribeck曲线在左边，我们看到干摩擦或库仑摩擦，然后随着滑动速率的增加，由基质X流体的润滑作用使μ减小;最后，完全的流体摩擦接管，摩擦开始上升;曲线的这一部分在这里并不重要干边界润滑膜润滑粘度[Pa s]换算系数，µR.I. 坦纳科学讲座5（2023）100109图四、由于矩形通道中的第二法向应力差（N 2）而产生的二次流;仅显示了管道的左下角或四分之一。悬架具有很强的第二法向应力差。取自参考文献[6]的文件。图五、在半圆形槽中40μm直径球体的40%体积悬浮液。 钢鳞反映在变形的水流自由表面上。最大剪切应力约为38 Pa。表面上的三角形顶点处的轻微圆化是由于表面张力。取自参考文献[7]的文件。图六、 用嵌入钢球的单轴拉伸试验。运动以250帧/秒的速度拍摄，从而可以确定薄膜的直径和长度。因此可以估计拉伸速率和薄膜面积。由于载荷已知，因此可以求出特劳顿比取自参考文献[8]的一项建议。R.I. 坦纳科学讲座5（2023）1001095图7.第一次会议。应变率反转结果示意图。停留时间为间隔GH，响应时间为EF。t=0时的应变响应被任意设置为零。扭矩/剪切应力响应显示了应变速率每次反转后的应变效应1.210.80.60.40.200 24γ6 8 10 12图8.第八条。Mahmud等人的数据中应变反转后扭矩信号的比较。[5]使用平行板系统，Gadala-Maria和Acrivos [9]用于40%悬浮液;[9]中使用Couette装置。M是剪切应变γ下的扭矩，Mo是稳态扭矩。 剪切应变（γ）从应变率反转点测量。取自参考文献[5]的第10段。Gadala-Maria/Acrivos dataNew DataM/MoR.I. 坦纳科学讲座5（2023）1001096一原10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.840%40uPS/12500cs_1rad/s 100% 1原始原始值菌株40% 40uPS/12500cs_1rad/s 100% 2原始原始值菌株40% 40uPS/12500cs_1rad/s 100% 3原始原始值菌株-10 1 2 3 4 5 6s7tper零点零零五Nm0.00040.000350.00030.000250.00020.00015Mraw0.00010.00005040% 40uPS12500cs_1rad-s200% 1Mraw原始值扭矩40% 40uPS 12500 cs_1 rad-s200 % 2-0.00005-0.0001-0.00015Mraw原始值扭矩40% 40uPS 12500 cs_1 rad-s200 % 3Mraw原始扭矩值-0.0002-0.00025-0.0003-0.00035-0.0004-0.00045-0.00050 12 3 4 5 6s7tper图9.第九条。a、b. 200%边缘应变的结果顶部-剪切应变作为时间的函数-它是一个正弦曲线;底部-扭矩作为时间的函数扭矩测量显示了三种不同样品的结果分布显然，存在最大扭矩的±3%数量级的差异扭矩曲线显然不是正弦曲线。BR.I. 坦纳科学讲座5（2023）1001097图10个。由剪切速率乘以稳态粘度得到的实测应力τ与稳态剪切应力τs之比如图10所示。二、振幅为200%，体积分数为40%。（+）逆转前的点数;（o）逆转后的点数图十一岁剪切应力（τ）相对于稳定剪切应力（τs）的变化，作为应变差的函数|Δγ|从t = 3π/2s的反转点开始。在100%的情况下，应力不会完全发展; 200%和400%曲线接近以前的结果。R.I. 坦纳科学讲座5（2023）1001098图12个。特劳顿比-单轴伸长率。当量 16，其中μ = 0; 16，μ = 0.3; E X实验Δ ε：=2 s −1; □ ε：= 5.8 s −1（Mahmud et al. [8]）; XComputed μ = 0;+计算μ=0.25 [4]。这表明TSM模型[10]能够使用来自粘度测量数据的输入来预测伸展性湍流结果。[10 ]第10段。总之，我们相信可以使用TSM模型的修改来预测非弹性非胶体悬浮液的流变响应[10]。致谢作者感谢博士。本公司谨此感谢戴绍聪先生协助本公司进行实验及编制财务报表。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] S.C. Dai，F.Qi，R.I.Tanner，Strain and strain-rate formulations for a wavelowinducedcrystallization，Polym.2004，（10）：工程科学46（2006）659-669。[2] A. Sierou，J.F.Brady，浓缩非胶体悬浮液的流变学和微观结构Sessions，J.Rheol 46（2002）1031-1056。[3] S. Gallier，E.Lemaire，F.彼得斯湖Lobry，Rheology of sheared suspension ofroughfrictionalparticles，J. Fluid Mech.757（2014）514-549.[4] O.谢尔角张文龙，张文龙。 Rheol 62（2018）501-512。[5] A. Mahmud，S.C.Dai，R.I.Tanner，非胶体悬浮液中的突然应变变化J. 非牛顿流体机械289（2021）第10448条9.[6] S.C. Xue，N.R.I. 李文，等，应用有限体积法计算黏性流体二次流之研究，国立成功大学流体力学研究所硕士论文，2000。[7] S.C. Dai，E.Bertevas，F.Qi，R.I.Tanner，具有牛顿矩阵的非胶体球悬浮液的粘度函数，J. Rheol。57（2013）493- 510。[8] A. Mahmud，S.C.Dai，R.I.Tanner，对具有牛顿矩阵的非胶体悬浮液模型的探索，流变学。Acta 57（2018）29-41.[9] F. 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