Publikation: Flow of yield-stress fluids through channels
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Zusammenfassung
We propose a new way to study the dynamics of glass-forming colloidal suspensions by successfully combining mode-coupling theory (MCT) with a Lattice Boltzmann (LB) scheme. The mode-coupling theory provides a constitutive equation which is fully determined by the microscopic interactions of the system. We use a schematic MCT model, which incorporates the essential features of the full model, to close the Navier-Stokes (NS) equation. The LB method presents an elegant and computational efficient way to find a solution for the NS equation even for complex flow problems. We propose a modified LB algorithm capable of handling tensorial and integral constitutive equations. Combining a mesoscopic flow solver with microscopic dynamics offers some significant advantages. We are now able to study complex flow problems which would be inaccessible when using microscopic approaches such as Molecular Dynamics simulations.
To test our method, we have studied the pressure-driven Poiseuille flow through a straight channel. Further approximations to the
schematic MCT (sMCT) model yield a shear-thinning constitutive equation similar to Maxwell's well-known model of viscoelastic fluids. We have implemented this non-linear Maxwell (nlM) model in its integral formulation and in its differential form (inlM), which assumes a fully developed flow. The inlM model adjusts instantaneously to changes in the flow and is similar to other shear-thinning constitutive equations often used in LB simulations. Under the reasonable constraint of an incompressible flow, the steady state channel flow profile of the non-linear Maxwell model can be solved analytically.
The LB results agree very well with the theoretical predictions. In a channel, the shear-thinning fluid forms a no-shear plug in the center and high-shear regions near the walls. Normal stresses working on the plug are balanced by a pressure gradient. The non-linear Maxwell model shows glass-like dynamics already for moderate large drops in the viscosity. For cessation flows, this makes the inlM fluid show nearly finite stopping times hinting at a yield stress, which exists only in the glass limit.
In the nlM model, the stress takes the flow history into account, and viscoelastic effects enter the transient dynamics. The intriguing interplay between the evolution of the stress and velocity of the fluid presents an interesting field of study. The velocity can vary more rapidly than the stress, and overshoots and oscillations appear in the transient profiles. For the stopping flow, this is especially interesting as resident stresses make the stopped flow start moving again, but in opposite direction. Comparing with the linear Maxwell model, we could visualize the shear-thinning setting in. We have identified two different regimes and a characteristic time scale ton we can vary by changing the channel diameter. For narrow channels (small ton ), the starting flow exhibits overshoots in the velocity and stress. In wide channels, the velocity profile develops monotonously again. Increasing the channel diameter restores the scaling with ton on a single master curve, which is the same for the inlM model.
Comparing the results of the non-linear Maxwell model with the dynamics of the schematic mode-coupling model, we find the nlM model to capture the dynamics of the velocity and shear stress exceptionally well. The steady state profiles are nearly indistinguishable, and we find the same qualitative change for different channel diameters in the starting flow of the sMCT model. The cessation dynamics are more complex. The correlator becomes non-monotonous due to the oscillating flow and affects the stopping flow after the initial undershoot. The
normal stress profiles are different from the ones found for the non-linear Maxwell model, but the agreement should improve for simulations
closer to the glass transition.
We have shown that the non-linear Maxwell model reproduces the dynamics of the schematic MCT model extremely well. It incorporates most features of the microscopic dynamics known from mode-coupling theory in a relatively simple constitutive equation and presents a good compromise between microscopic details and practicability. We have demonstrated how to use mode-coupling theory, if in a simplified model, to close the Navier-Stokes equation and apply it to flow problems. We have compared our results with theoretical predictions and found them in good agreement. Already in a pressure-driven channel flow, the dynamics are highly non-trivial and promise even more interesting physics for more complex flow geometries.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Wir präsentieren eine neue Methode, die Dynamik von glasbildenden kolloidalen Suspensionen zu untersuchen, indem wir erfolgreich die Modenkopplungstheorie (MCT) mit einem Lattice Boltzmann (LB) Algorithmus verbinden. Die Modenkopplungstheorie liefert eine Konstituierendengleichung, die vollständig von den mikroskopischen Wechselwirkungen des Systems bestimmt wird. Wir benutzen ein schematisches MCT Modell, das die wesentlichen Eigenschaften des vollständigen Modells aufweist, um die Navier-Stokes (NS) Gleichung zu schließen. Die LB Methode ist ein eleganter und effizienter Weg, Lösungen der NS Gleichung zu finden, der sich gut auf komplexe Flüsse anwenden lässt. Wir zeigen einen abgewandelten LB Algorithmus, der es erlaubt tensorielle und integrale Konstituierendengleichungen zu integrieren. Die Kombination einer mesoskopischen Flussberechnung mit einer mikroskopischen Dynamik bietet große Vorteile. Wir können so komplexe Flüsse berechnen, die mit mikroskopischen Zugängen wie der Molekulardynamik-Simulation nicht zugänglich wären.
Um unsere Methode zu testen, untersuchen wir den druckgetriebenen Poiseuille Fluss durch einen geraden Kanal. Weitere Näherungen am schematischen MCT (sMCT) Modell liefern eine scherverdünnende Konstituierendengleichung, die ähnlich zu dem bekannten Maxwell Modell für viskoelastische Flüssigkeiten ist. Wir haben dieses nichtlineare Maxwell (nlM) Modell in seiner integralen und in seiner differentiellen Form (inlM), welches einen bereits vollständig ausgeprägten Fluss voraussetzt, integriert. Das inlM Modell ändert sich instantan mit dem Fluss und ähnelt anderen scherverdünnenden Konstituierendengleichungen, die häufig in LB
Simulationen eingesetzt werden. Unter der vernünftigen Annahme, dass der Fluss inkompressibel ist, ist der stationäre Fluss für das nichtlineare Maxwell Modell analytisch lösbar.
Die LB Ergebnisse stimmen sehr gut mit den theoretischen Vorhersagen überein. In einem Kanal formt die scherverdünnende Flüssigkeit einen scherfreien Propfen in der Mitte und stark gescherte Regionen an der Wand. Normalspannungen, die auf den Pfropfen wirken, werden durch einen Druckgradienten ausgeglichen. Das nichtlineare Maxwell Modell zeigt schon für mittelgroße Änderungen in der Viskosität glasartige Dynamik. Beim Stoppen des Flusses kommt die inlM Flüssigkeit annährend abrupt zu stehen und deutet eine Fließspannung an, die eigentlich erst im Glas auftritt.
Beim nlM Modell berücksichtigt die Spannung die Vergangenheit des Flusses, und viskoelastische Effekte beeinflussen die nichtstationäre Dynamik. Es ist interessant, das Zusammenspiel von der Entwicklung des Spannungs- und des Geschwindigkeitsprofils zu untersuchen. Die Geschwindigkeit kann sich schneller als die Spannung ändern, und Überschwinger und Oszillationen tauchen in den nichtstationären Profilen auf. Dies ist besonders für den Ausschaltvorgang interessant, weil die verbliebene Spannung den bereits angehaltenen Fluss wieder in Bewegung setzt, aber in die entgegengesetzte Richtung. Beim Vergleich mit dem linearen Maxwell Modell konnten wir das Einsetzen der Scherverdünnung sichtbar machen. Wir haben zwei unterschiedliche Regime und eine charakteristische Zeit ton, die wir durch Ändern der Kanalweite variieren können, identifiziert. In schmalen Kanälen (kleines ton) kommt es zu Überschwingern in der Geschwindigkeit und in der Spannung beim Einschalten. In breiten Kanälen sind die Profile monoton. Das Vergrößern des Kanalquerschnitts stellt das Skalieren auf eine einzelne Kurve wieder her. Diese Kurve ist die gleiche wie für das inlM Modell.
Der Vergleich des nichtlinearen Maxwell Modells mit dem schematischen Modenkopplungsmodells zeigt eine außergewöhnlich gute Übereinstimmung beider Modelle. Die stationären Profile sind fast ununterscheidbar, und das Einschaltverhalten ändert sich erneut qualitativ mit der Kanalbreite. Der Ausschaltvorgang ist komplexer. Der Korrelator wird nicht-monoton durch die Oszillationen und beeinflusst das Geschwindigkeitsprofil beim Anhalten nach dem ersten Unterschwinger. Die Normalspannungsprofile unterscheiden sich, aber die Übereinstimmung sollte näher am Glasübergang besser werden.
Wir haben gezeigt, dass das nichlineare Maxwell Modell die Dynamik des schematischen MCT Modells extrem gut wiedergibt. Es enthält die meisten Eigenschaften der mikroskopischen Dynamik, die aus der Modenkopplungstheorie bekannt sind, in einer relativ einfachen Konstituierendengleichung und bietet einen guten Kompromiss zwischen mikroskopischen Details und Anwendbarkeit. Wir haben gezeigt, wie die Modenkopplungstheorie, wenn auch in einer vereinfachten Form, die Navier-Stokes Gleichung schließen und auf Flussprobleme angewendet werden kann. Wir haben unsere Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen verglichen und in guter Überinstimmungen gefunden. Bereits für druckgetriebene Kanalströmung ist die Dynami nicht-trivial und verspricht noch interessantere Physik für komplexere Geometrien.
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PAPENKORT, Simon, 2013. Flow of yield-stress fluids through channels [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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The mode-coupling theory provides a constitutive equation which is fully determined by the microscopic interactions of the system. We use a schematic MCT model, which incorporates the essential features of the full model, to close the Navier-Stokes (NS) equation. The LB method presents an elegant and computational efficient way to find a solution for the NS equation even for complex flow problems. We propose a modified LB algorithm capable of handling tensorial and integral constitutive equations. Combining a mesoscopic flow solver with microscopic dynamics offers some significant advantages. We are now able to study complex flow problems which would be inaccessible when using microscopic approaches such as Molecular Dynamics simulations.<br /><br /><br /><br />To test our method, we have studied the pressure-driven Poiseuille flow through a straight channel. Further approximations to the<br />schematic MCT (sMCT) model yield a shear-thinning constitutive equation similar to Maxwell's well-known model of viscoelastic fluids. We have implemented this non-linear Maxwell (nlM) model in its integral formulation and in its differential form (inlM), which assumes a fully developed flow. The inlM model adjusts instantaneously to changes in the flow and is similar to other shear-thinning constitutive equations often used in LB simulations. Under the reasonable constraint of an incompressible flow, the steady state channel flow profile of the non-linear Maxwell model can be solved analytically.<br />The LB results agree very well with the theoretical predictions. In a channel, the shear-thinning fluid forms a no-shear plug in the center and high-shear regions near the walls. Normal stresses working on the plug are balanced by a pressure gradient. The non-linear Maxwell model shows glass-like dynamics already for moderate large drops in the viscosity. For cessation flows, this makes the inlM fluid show nearly finite stopping times hinting at a yield stress, which exists only in the glass limit.<br /><br /><br /><br />In the nlM model, the stress takes the flow history into account, and viscoelastic effects enter the transient dynamics. The intriguing interplay between the evolution of the stress and velocity of the fluid presents an interesting field of study. The velocity can vary more rapidly than the stress, and overshoots and oscillations appear in the transient profiles. For the stopping flow, this is especially interesting as resident stresses make the stopped flow start moving again, but in opposite direction. Comparing with the linear Maxwell model, we could visualize the shear-thinning setting in. We have identified two different regimes and a characteristic time scale t<sub>on</sub> we can vary by changing the channel diameter. For narrow channels (small t<sub>on</sub> ), the starting flow exhibits overshoots in the velocity and stress. In wide channels, the velocity profile develops monotonously again. Increasing the channel diameter restores the scaling with t<sub>on</sub> on a single master curve, which is the same for the inlM model.<br /><br /><br /><br />Comparing the results of the non-linear Maxwell model with the dynamics of the schematic mode-coupling model, we find the nlM model to capture the dynamics of the velocity and shear stress exceptionally well. The steady state profiles are nearly indistinguishable, and we find the same qualitative change for different channel diameters in the starting flow of the sMCT model. The cessation dynamics are more complex. The correlator becomes non-monotonous due to the oscillating flow and affects the stopping flow after the initial undershoot. The<br />normal stress profiles are different from the ones found for the non-linear Maxwell model, but the agreement should improve for simulations<br />closer to the glass transition.<br /><br /><br /><br />We have shown that the non-linear Maxwell model reproduces the dynamics of the schematic MCT model extremely well. It incorporates most features of the microscopic dynamics known from mode-coupling theory in a relatively simple constitutive equation and presents a good compromise between microscopic details and practicability. We have demonstrated how to use mode-coupling theory, if in a simplified model, to close the Navier-Stokes equation and apply it to flow problems. We have compared our results with theoretical predictions and found them in good agreement. 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