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Main Title: Dense colloidal suspensions in microchannel flow
Translated Title: Dichte kolloidale Suspensionen im Fluss eines Mikrokanals
Author(s): Kanehl, Philipp
Advisor(s): Stark, Holger
Referee(s): Stark, Holger
Netz, Roland
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Kolloidale Suspensionen im Scherrfluss migrieren in Richtung kleiner Scherrate. Suspensionen mit zwei verschiedenen Teilchengrößen entmischen sich im Zentrum eines Mikrokanals. Kolloide in Kanälen mit sehr hoher Packungsdichte können Staus bilden welche reguläre Oszillationen in der Flussgeschwindigkeit auslösen. Diese Geschwindigkeitsoszillationen werden von Verdünnungswellen in der Packungsdichte begleitet. Wird die Dichte noch weiter erhöht, treten die Oszillationen unregelmäßig auf. Um ein theoretischen Verständniss dieser Effekte zu vertiefen, simulieren wir Kugeln im Fluss eines Kanals in zwei und drei Dimensionen. Dabei verwenden wir die mesosokopische Simulationsmethode der Vielteilchen-Stoßdynamik für die Modellierung der Flüssigkeit. Um die hydrodynamische Segregation zu modellieren, formulieren wir eine phenomenologisches Model für den lateralen Teilchenfluss, auf Basis der Arbeit von J. Phillips et al. [Phys. Fluids 4, 30 (1992)]. Die neu formulierte Theorie trifft gute Vorhersagen für die simulierte Dichteverteilung entlang des Kanalquerschnitts. Wir präsentieren eine ausführliche Parameterstudie wie Suspensionen einer Teilchengröße sich in der Kanalmitte anreichern und Suspensionen zweier Teilchengrößen sich entmischen. Dabei finden wir stets eine stärkere Anreicherung der großen Teilchen im Zentrum. Für die Simulation noch dichterer Systeme benutzen wir ein elastisches Kontaktmodell mit Reibung für die Kolloide. Mit deisem Modell ist es möglich die periodischen Geschwindigkeits- und Dichtepulse zu simulieren welche auch in den Experimenten von L. Isa et al. [Phys. Rev. Lett. 102, 058302 (2009)] beobachtet wurden. Wir zeigen dass die Reibung zwischen Kolloiden und den Kanalwänden ein notwendiges Kriterium für die Formation der Pulse ist. Mit ansteigender Packungsdichte formieren sich die Pulse zuerst als einzelne Staus, welche bei höherer Dichte die Form eines periodischen Pulszuges annehmen. Bei der höhsten Packungsdichte findet man vereinzelte instabile Pulse. Wir formulieren ein neues phenomenologisches Kontinuummodell und zeigen dass die laufenden Pulse als periodische und homokline Orbits in den zugehörigen Differentialgleichungen verstanden werden können.
Colloids in suspensions exhibit shear-induced migration towards regions of low viscous shear. In bidisperse suspensions under pressure driven flow large particles can segregate in the center of a microchannel and the suspension partially demixes. In channels containing very dense suspensions, colloids may jam and produce regular flow speed oscillations generated by density rarefaction waves. Increasing the density even further the oscillations become irregular. To develop a theoretical understanding of these effects, we simulate spheres under pressure-driven channel flow in two and three dimensions using the mesoscale simulation technique of multi-particle collision dynamics. To model hydrodynamic segregation, we formulate a phenomenological model for the particle currents based on the work of R. J. Phillips et al. [Phys. Fluids 4, 30 (1992)]. Using a single fit parameter for the intrinsic diffusivity, our theory accurately reproduces the simulated density profiles across the channel. We present a detailed parameter study on how a monodisperse suspension is enriched in the channel center and quantitatively confirm the experimental observation that a binary mixture partially segregates into its two species. In particular, we always find a strong accumulation of large particles in the center. For our simulations on jamming, the colloids are modeled as elastic and frictional disks. The model reproduces periodic velocity and density pulse trains, traveling upstream in the microchannel, which are found in experiments conducted by L. Isa et al. [Phys. Rev. Lett. 102, 058302 (2009)]. We show that colloid-wall friction and the resultant force chains are crucial for the formation of these pulses. With increasing colloid density solitary jams occur, which become periodic pulse trains at intermediate densities and unstable solitary pulses at high densities. We formulate a phenomenological continuum model and show how these spatio-temporal flow and density profiles can be understood as homoclinic and periodic orbits in traveling-wave equations.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6245
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5804
Exam Date: 7-Feb-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 25-Mar-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
Subject(s): microchannel
colloidal flow
size segregation
jamming
simulation
Mikrokanal
kolloidaler Fluss
Entmischung
Stauung
Simulation
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