Publikation: Time dependent flows in arrested states
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Zusammenfassung
A three dimensional (3d) calculation of the mode coupling equations with integration through transients (MCT-ITT) under shear is now possible and fruitful. The outcome is, beyond linear response, completely anisotropic. The numerics remains demanding, but the ongoing progress on the hardware side will soon ease these problems.
The 3d results are in full accordance with earlier two-dimensional (2d) calculations, especially the appearance of a yield scaling (alpha master) function under shear. MCT-ITT also describes that particles circumvent each others easier in 3d, because correlator oscillations in the final decay region are less pronounced.
The MCT-ITT transient, coherent density correlator was compared with steady-state incoherent correlators of a MD simulation and a PMMA experiment. The qualitative agreement was high, however, a rescaling strain parameter of 10 to 30 had to be introduced, because MCT-ITT correlators decay too slow. Also the stress overshoot occurs retarded by a strain factor of about 3 to 5.
Shear and normal stresses were calculated to show the full tensorial and anisotropic nature of the theory. A connection between the peak strain gamma* of the stress overshoot and height with the flow curves was deduced from MCT's generalized shear modulus. The peak-strain vs shear-rate curves look qualitatively the same as the flow curves. This means that the peak strain increases with packing fraction and bare Péclet number. The overshoot vanishes in a fluid.
Within the full anisotropic calculations it turned out that the second normal stress is negative. The Lodge-Meissner relationship was proven to hold in MCT-ITT and a relationship to the first normal stress was derived, which is similar to polymeric melts.
Structure factor (SF) distortions calculated with MCT-ITT could be illustrated for the first time in 3d. A deformation of the SF according to the deformation field of simple shear flow was verified. This naturally causes a change from a quadrupolar symmetry in the elastic regime to a more hexadecapolar distortion in the steady state. The appearance of the stress overshoot is closely connected to this, because only quadrupolar distortions increase the shear stress, a change in symmetries decreases it. Motivated by these findings, a heuristic derivation of the Lindemann criterion from the MCT equations for the shear stress could be done with just using symmetry considerations and the quiescent SF.
A comparison of the shear-flow, vorticity plane of the SF distortion with experiments of X-ray scattering on silica particles yielded a good qualitative agreement. The experimental SF exhibits a contraction along the shear flow axis and so does the SF of MCT. A difference of a factor of 3 in the distortion amplitudes coincides well with the difference of MCT's peak strain compared to other colloidal experiments.
An anisotropic contribution to the intermediate small strain regime of mode coupling theory (MCT) under simple shear was derived theoretically and approved in comparison to the full numerical solution of MCT in two and three dimensions (2d and 3d). The anisotropic term is of quadrupolar symmetry. It was verified for the full numerics that the initial quadrupolar symmetry in the shear induced decay decreases with time. A tendency of the 3d correlators to decay at larger strains than in 2d was observed. Besides this, taking the third spacial dimension into account does not add new qualitative differences to the intermediate time regime, in which the beta-analysis is valid; the 3d correlators inherit the quadrupolar symmetry from the two dimensional shear-flow, shear-gradient plane.
A schematic model of mode coupling theory was generalized to describe consistently flow curves, linear response shear moduli and nonlinear stress-strain curves, especially the stress overshoot. The generalization holds in a universal, homogeneous straining geometry, with a focus on simple-shear and compressional flow. This was done by implementing a time-dependent vertex function in the generalized shear modulus, which automatically incorporates via the Finger tensor the strain geometry. Schematic MCT remains isotropic, but dependent on the rotational invariants of the Finger tensor, on which the isotropic vertex also solely depends.
The new vertex is in accordance with microscopic MCT as long as bare Péclet numbers are asymptotically small and the correlator decay is governed by strain. For higher Péclet numbers, model parameters must be varied to mimic a influence of alpha and beta decay on the new vertex. Effectively just one new rheological parameter, the peak strain gamma*, at which the stress is maximal, is added to the model, because a second parameter, turned out to be linearly coupled to gamma*. A comparison to experiments and MD simulations showed that microscopic MCT overestimates gamma* by a factor of 3-5.
Together with experiments on metallic glasses, the schematic model was applied to fit compressional flow. It turned out that the parameters of the model are universal to different flow geometries when a rescaled strain rate is defined. It explains why the peak strain is shifted to smaller values under compression, compared to shear flow. A comparison of the colloidal experiment with the metallic glasses via schematic MCT revealed that a universal structural behavior under strain in these very different systems can be identified and that it is captured by MCT's structural decay. Decay-strain and energy scales are of the same order when renormalized properly by flow geometry and thermal energy per particle size.
Single-particle mean square displacements could be described in using the (transient) viscosity of the schematic model in a generalized Stokes-Einstein relation. Describing the long-time limit of a MD simulation of hard spheres worked well this way. A superdiffusive motion in start-up shear is described by MCT just around the strain of the stress overshoot, which the simulation yielded as well.
The overall result is that qualitative agreement of MCT-ITT with experiments and simulations is so high that the structural physics must be described correctly by the theory.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Die Modenkopplungstheorie (MCT) beschreibt die Rheologie und Struktur von Hartkugeldispersionen unter Deformation mittels Dichte-Paarkorrelatoren, deren Bewegungsgleichungen (EQM) mikroskopisch hergeleitet werden (durch Projektion von Dichtefluktuationen mittels Zwanzig-Mori-artigem Formalismus auf die Smoluchowskigleichung). Die Darstellung in dieser Arbeit erfolgte im Hinblick auf einen zeitlich konstanten, homogenen, aber sonst allgemeinen Deformationsfluß, der zum Zeitpunkt 0 eingeschaltet und über eine Deformationsrate kontrolliert wird.
Eine dreidimensionale (3d) Berechnung der MCT-ITT (MCT mit Integration der transienten Dynamik) mittels moderner Parallelrechner ist möglich und liefert zufriedenstellende Ergebnisse, obwohl eine grobe Diskretisierung der Numerik noch in Kauf genommen werden muss. Vollständig anisotrope Dichtekorrelatoren, Spannungstensoren und Verformungen des Strukturfaktors (SF) wurden jenseits von linearem Antwortverhalten berechnet. Die dreidimensionalen Ergebnisse sind konsistent mit früheren zweidimensionalen (2d) Rechnungen, was anhand vieler Aspekte betont wurde. Dazu zählen u.a. die Masterfunktion für den (über-)exponentiellen scherinduzierten Zerfall der Korrelatoren, wie für den unter-exponentiellen, strukturellen Zerfall der Flüssigphase bei kleinen Weissenberg-Zahlen und außerdem das qualitative und quantitative Verhalten des verallgemeinerten Schermoduls und des Spannungsüberschwingers als Funktion von Packungsbruch und Péclet Zahl. Die MCT-ITT beschrieb darüber hinaus, dass Teilchen in 3d leichter einander ausweichen als in 2d, denn Korrelatoroszillationen beim finalen Alpha-Zerfall fallen in 3d schwächer aus.
Vergleiche des MCT-Dichtekorrelators mit MD-Simulationen und PMMA-Experimenten zeigten eine hohe qualitative Übereinstimmung. Die Alpha-Zerfallsskala (der Gleitung) wird allerdings von der MCT-ITT um einen Faktor 10 - 30 überschätzt. Auch die Spannungsspitzendeformation Gamma* wird um einen Faktor 3 - 5 überschätzt, wie der Vergleich mit Kolloidexperimenten zeigte. Die Spannungsspitze ist der Punkt maximaler Spannung in einem Spannungsüberschwinger, der im transienten Regime einer Deformation auftreten kann. Die MCT-ITT beschreibt dieses Phänomen ebenso wie das elastische und das stationäre Regime, welches sich bei konstanter Deformationsrate letztlich einstellt.
Die Auswertung der Scherspannung lieferte die Erkenntnis, dass Gamma* und die konstante Langzeitspannung (im stationären Regime) über die MCT-ITT Gleichungen monoton gekoppelt sind. Das heißt, dass Gamma* mit dem Packungsbruch einer Dispersion und der Péclet-Zahl monoton ansteigt, was sich als Vorhersage experimentell prüfen ließe. In der Flüssigphase verschwindet der Spannungsüberschwinger für kleine Weissenberg-Zahlen. Die Berechnung der Normalspannungen veranschaulichte den tensoriellen Charakter der MCT-ITT und bestätigte die Lodge-Meissner-Gleichung im elastischen Regime. Eine negative zweite Normalspannung wurde berechnet, deren Verhältnis zur ersten Normalspannung dem bei Polymerschmelzen ähnelt.
Eine unphysikalische Rückkopplung in den MCT-ITT EQMs für kleine q-Moden der Dichtekorrelatoren wurde entdeckt. Dabei koppeln größere Korrelatormoden so an die kleineren, dass letztere größer als 1 werden können. Die größeren Moden werden jedoch kaum beeinflußt, was daher lediglich eine klein-q Analyse mit den aktuellen Ergebnissen verhindert. Es ist noch unklar, ob diese Rückkopplung inhärent in den MCT-ITT Gleichungen ist, oder durch eine sorgsamere Implementierung der Scheradvektion bei der numerischen Evaluation behoben werden muss.
Scherdeformierte Strukturfaktoren wurden dreidimensional dargestellt. Der Deformationsfluß wird dem Strukturfaktor dabei im Fourier-Raum invers aufgeprägt. Dadurch wird die quadrupolare Deformation des elastischen Regimes im stationären Zustand hexadecapolarer, was wiederum den Spannungsüberschwinger erzeugt, denn nur quadrupolare Deformationen erhöhen die Spannung (in der MCT-ITT). Diese Symmetriebetrachtungen motivierten einen heuristischen Ansatz, das Lindemannkriterium im Rahmen der MCT abzuleiten, mit dem Ergebnis, dass Gleitungen von der Größenordnung 20% ein Scherschmelzen induzieren. Die Größenordnung stimmt mit Experimenten und Simulationen überein (diese liefern etwa 10%, numerisch berechnete MCT-ITT liefert etwa 30%). Ein Vergleich mit Röntgenstreuexperimenten an Hartkugeldispersionen lieferte gute qualitative Übereinstimmung. Auch deren Strukturfaktor wird im Scherfluß entlang der Fließrichtung kontrahiert. Die MCT-ITT überschätzt die Deformation des Strukturfaktors um einen Faktor 3, was gut zu der Überschätzung von Gamma* passt. Dadurch wird, im Rahmen der MCT-ITT, mehr Spannung und Strukturfaktordeformation akkumuliert.
Eine anisotrope Korrektur zum Beta-Korrelator wurde hergeleitet und anhand der 2d und 3d MCT-ITT verifiziert. Der Beta-Korrelator beschreibt das asymptotische Verhalten der Dichtekorrelatoren nahe deren transienten Plateaus. Die Korrektur hat eine quadrupolare Symmetrie, entspricht also dem elastischen Regime und kann besonders im Bereich um das erste Maximum des Strukturfaktors nicht vernachlässigt werden.
Schließlich wurde ein schematisches MCT-Modell beschrieben und weiterentwickelt um den Spannungsüberschwinger in beliebiger Deformationsgeometrie (zeitlich konstant und homogen) zu beschreiben. Damit beschreibt auch dieses Modell das elastische, stationäre und transiente Regime. Es ist in Übereinstimmung mit der mikroskopischen Theorie in 2d (und damit 3d). Als Modellparameter wurde Gamma* in einen zeitabhängigen Vertex in das verallgemeinerte Schermodul eingebaut. Ein weiterer Parameter Gamma**, die Zerfallsdeformation dieses Vertex', konnte auf eine lineare Kopplung an Gamma* reduziert werden.
Kompressionsexperimente an metallischen Gläsern wurden mit dem schematischen Modell beschrieben. Es lies sich ableiten, dass eine kleinere Spannungsspitzendeformation Gamma* unter Kompression im Vergleich zu Scherung auf die Geometrie der Deformation zurückzuführen ist und tensorielle MCT dieses Phänomen beschreibt. Ein Vergleich von Kolloidscherung und Metallkompression mittels schematischer MCT zeigte, dass diesen beiden völlig verschiedenen Systemen (was Größen- und Energieskalen angeht) ein universeller struktureller Zerfall unter Deformation zugrunde liegt. Diese universelle Gemeinsamkeit der Struktur amorpher Hartkugelsysteme wird von der MCT erfasst. Auf Letzteres darf geschlossen werden, weil man überhaupt beide Systeme sinnvoll mit dem schematischen Modell anfitten kann und die (geschickt normierten) schematischen Parameter, die den Alpha-Zerfall unter Deformation beschreiben, die selbe Größenordnung in beiden Systemen haben.
Super-diffusives Verhalten der Teilchendiffusion konnte im Rahmen der kohärenten (schematischen) MCT beschrieben werden. Hierzu wurde die (transiente) Viskosität des schematischen Modells über eine Konstante im verallgemeinerten Stokes-Einstein Gesetz an die Teilchendiffusivität gekoppelt. Obwohl in MD Simulationen diese Superdiffusion stärker ausfällt, konnte das Langzeitverhalten gut mit dem schematischen Modell beschrieben werden.
Das Verhalten aktivierter Prozesse, das die Teilchen dazu bringt auch in der ungescherten Glasphase durch aneinander "vorbeihüpfen" den Phasenraum voll zu explorieren, kann von der MCT nicht beschrieben werden, da MCT-Dichtekorrelatoren in der Glasphase dauerhaft positiv bleiben. Es zog sich deshalb ein Tenor durch diese Arbeit, manche Dinge in der Glasphase nicht beschreiben zu können, wie z.B. ein Verschwinden des Spannungsüberschwingers für kleine Weissenberg-Zahlen oder lineares Antwortverhalten der stationären Fließkurve in der deformierten Glasphase, oder Langzeitdiffusion und Zerfall von Dichtekorrelatoren in der Glasphase ohne Deformation.
Es lässt sich behaupten, dass die qualitative Übereinstimmung der (mikroskopischen) MCT-ITT mit Simulationen und Experimenten so groß ist, dass die Physik struktureller Dichtekorrelationen unter Deformation offenbar grundsätzlich von der MCT-ITT beschrieben wird. Die quantitativen Diskrepanzen (Überschätzung von Deformationsskalen, Fehlen aktivierter Prozesse) mahnen zu einer weiteren Untersuchung derer mathematischen Ursachen.
Fachgebiet (DDC)
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Konferenz
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ISO 690
AMANN, Christian P., 2013. Time dependent flows in arrested states [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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The outcome is, beyond linear response, completely anisotropic. The numerics remains demanding, but the ongoing progress on the hardware side will soon ease these problems.<br /><br /><br /><br />The 3d results are in full accordance with earlier two-dimensional (2d) calculations, especially the appearance of a yield scaling (alpha master) function under shear. MCT-ITT also describes that particles circumvent each others easier in 3d, because correlator oscillations in the final decay region are less pronounced.<br /><br /><br /><br />The MCT-ITT transient, coherent density correlator was compared with steady-state incoherent correlators of a MD simulation and a PMMA experiment. The qualitative agreement was high, however, a rescaling strain parameter of 10 to 30 had to be introduced, because MCT-ITT correlators decay too slow. Also the stress overshoot occurs retarded by a strain factor of about 3 to 5.<br /><br /><br /><br />Shear and normal stresses were calculated to show the full tensorial and anisotropic nature of the theory. A connection between the peak strain gamma* of the stress overshoot and height with the flow curves was deduced from MCT's generalized shear modulus. The peak-strain vs shear-rate curves look qualitatively the same as the flow curves. This means that the peak strain increases with packing fraction and bare Péclet number. The overshoot vanishes in a fluid.<br /><br /><br /><br />Within the full anisotropic calculations it turned out that the second normal stress is negative. The Lodge-Meissner relationship was proven to hold in MCT-ITT and a relationship to the first normal stress was derived, which is similar to polymeric melts.<br /><br /><br /><br />Structure factor (SF) distortions calculated with MCT-ITT could be illustrated for the first time in 3d. A deformation of the SF according to the deformation field of simple shear flow was verified. This naturally causes a change from a quadrupolar symmetry in the elastic regime to a more hexadecapolar distortion in the steady state. The appearance of the stress overshoot is closely connected to this, because only quadrupolar distortions increase the shear stress, a change in symmetries decreases it. Motivated by these findings, a heuristic derivation of the Lindemann criterion from the MCT equations for the shear stress could be done with just using symmetry considerations and the quiescent SF.<br /><br /><br /><br />A comparison of the shear-flow, vorticity plane of the SF distortion with experiments of X-ray scattering on silica particles yielded a good qualitative agreement. The experimental SF exhibits a contraction along the shear flow axis and so does the SF of MCT. A difference of a factor of 3 in the distortion amplitudes coincides well with the difference of MCT's peak strain compared to other colloidal experiments.<br /><br /><br /><br />An anisotropic contribution to the intermediate small strain regime of mode coupling theory (MCT) under simple shear was derived theoretically and approved in comparison to the full numerical solution of MCT in two and three dimensions (2d and 3d). The anisotropic term is of quadrupolar symmetry. It was verified for the full numerics that the initial quadrupolar symmetry in the shear induced decay decreases with time. A tendency of the 3d correlators to decay at larger strains than in 2d was observed. Besides this, taking the third spacial dimension into account does not add new qualitative differences to the intermediate time regime, in which the beta-analysis is valid; the 3d correlators inherit the quadrupolar symmetry from the two dimensional shear-flow, shear-gradient plane.<br /><br /><br /><br />A schematic model of mode coupling theory was generalized to describe consistently flow curves, linear response shear moduli and nonlinear stress-strain curves, especially the stress overshoot. The generalization holds in a universal, homogeneous straining geometry, with a focus on simple-shear and compressional flow. This was done by implementing a time-dependent vertex function in the generalized shear modulus, which automatically incorporates via the Finger tensor the strain geometry. Schematic MCT remains isotropic, but dependent on the rotational invariants of the Finger tensor, on which the isotropic vertex also solely depends.<br /><br /><br /><br />The new vertex is in accordance with microscopic MCT as long as bare Péclet numbers are asymptotically small and the correlator decay is governed by strain. For higher Péclet numbers, model parameters must be varied to mimic a influence of alpha and beta decay on the new vertex. Effectively just one new rheological parameter, the peak strain gamma*, at which the stress is maximal, is added to the model, because a second parameter, turned out to be linearly coupled to gamma*. A comparison to experiments and MD simulations showed that microscopic MCT overestimates gamma* by a factor of 3-5.<br /><br /><br /><br />Together with experiments on metallic glasses, the schematic model was applied to fit compressional flow. It turned out that the parameters of the model are universal to different flow geometries when a rescaled strain rate is defined. It explains why the peak strain is shifted to smaller values under compression, compared to shear flow. A comparison of the colloidal experiment with the metallic glasses via schematic MCT revealed that a universal structural behavior under strain in these very different systems can be identified and that it is captured by MCT's structural decay. Decay-strain and energy scales are of the same order when renormalized properly by flow geometry and thermal energy per particle size.<br /><br /><br /><br />Single-particle mean square displacements could be described in using the (transient) viscosity of the schematic model in a generalized Stokes-Einstein relation. Describing the long-time limit of a MD simulation of hard spheres worked well this way. A superdiffusive motion in start-up shear is described by MCT just around the strain of the stress overshoot, which the simulation yielded as well.<br /><br /><br /><br />The overall result is that qualitative agreement of MCT-ITT with experiments and simulations is so high that the structural physics must be described correctly by the theory.</dcterms:abstract> <dcterms:title>Time dependent flows in arrested states</dcterms:title> </rdf:Description> </rdf:RDF>