Ingeniører beskriver, hvordan væskesuspensioner udviser forskellig adfærd i forskellige skalaer

Honning er allerede en tyk væske, men lad den begynde at krystallisere, og den kan blive direkte klumpet. Sukkerkrystallerne i suspension synes at øge dens viskositet. Dette fænomen forekommer i hele den naturlige og konstruerede verden:Fra mudderstrømme til maling har suspensioner af partikler en tendens til at opføre sig som tyktflydende væsker.

Ingeniører bruger dette til deres fordel ved at modellere de makroskopiske egenskaber af en suspension baseret på størrelsen og koncentrationen af ​​dens partikler. Denne tilnærmelse bryder dog ned i en vis skala. UC Santa Barbaras Virgile Thiévenaz og Alban Sauret forsøgte at bestemme hvornår og hvordan.

De opdagede, at partikler ikke spredes jævnt, når en suspension falder under en vis længdeskala, såsom når væsken klemmer ind for at danne halsen på en dråbe. Til sidst vil der være et tyndt område uden partikler, der opfører sig som en ren væske. Resultaterne, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , fremhæve grænsen for tilnærmelser og har mange potentielle anvendelser i industrielle omgivelser.

Viskositet kvantificerer den indre friktion mellem lag af en væske. I en tyktflydende væske udøver et lag mere modstand på sin nabo, hvilket producerer en tykkere væske, der er mere modstandsdygtig over for deformation og strømning. Partikler i en suspension opfører sig på lignende måde. En partikel er mere tilbøjelig til at bevæge sig, når dens naboer bevæger sig, hvilket øger væskens effektive viskositet. Højere koncentrationer bringer partikler tættere på hinanden, hvilket forstærker effekten. "Så længe man ser på suspensionen langvejs fra, er det bare en mere tyktflydende væske," forklarede Thiévenaz, en postdoc-forsker i maskiningeniørafdelingen.

I dråbeforsøg observerede Thiévenaz og Sauret, at suspensioner vil strække sig som en tyktflydende væske ned til en vis tykkelse, hvorefter det bliver muligt at trække partiklerne væk fra hinanden. Dette skaber regioner med varierende koncentrationer, der opfører sig forskelligt. Til sidst vil et område ikke indeholde nogen partikler og vil fungere som en ren væske. Herefter forenkles den effektive viskositet til den rene væskes.

Ingeniører har samlet en masse data for at kalibrere den effektive viskositet af suspensioner med partikelstørrelse og koncentration i store skalaer. Thiévenaz og Saurets udfordring var at finde ud af, i hvilken skala de tilnærmelser, der klassisk bruges til at modellere affjedring, begyndte at trævle ud.

Med flere eksperimenter bestemte forfatterne, at denne tærskel også varierer med partikelstørrelse og koncentration. En suspension vil gå fra at virke som en viskøs væske til at opføre sig mere som en heterogen blanding i skalaer på niveau med partiklernes størrelse.

Interessant nok synes mindre partikler at have en forholdsmæssigt stærkere effekt. "I forhold til partikelstørrelsen er tærsklen meget større for små partikler ved en given koncentration," sagde Sauret, en assisterende professor i maskinteknik.

For eksempel kan en suspension med en koncentration på 30 % på 140 mikrometer partikler opføre sig jævnt ned til skalaer på 600 µm eller omkring fire gange partiklernes diameter. Men en suspension med 20 µm partikler i samme koncentration kan vise denne effekt ned til 250 µm:en samlet skala i mindre skala, men mere end 12 gange partiklernes diameter.

Forudsigelse af en suspensions opførsel har store anvendelser i fremstillingen. En proces kan kræve at manipulere film eller skabe små dråber, og teknikere skal være i stand til at forudsige egenskaberne af disse systemer. For dip-coatede dele kan korrekt manipulation af partiklerne i en film være forskellen mellem et færdigt produkt og et absolut rod, forklarede Sauret.

Spraybelægning giver en endnu klarere illustration af dette fænomen. En ren væske, som en lak, vil opføre sig anderledes end en suspension, som maling, når et produkt sprøjtes. Sammenlignet med en ren væske med samme effektive viskositet, vil en suspension gå i stykker tidligere med færre, større dråber. Forskernes næste opgave er at bestemme, hvordan antallet og størrelsen af ​​dråber afhænger af parametre som hastighed, partikelkoncentration og partikelstørrelse.

Tilnærmelse af suspensioner som tyktflydende væsker fungerer godt, men kun i visse skalaer. "På et tidspunkt vil det mislykkes," sagde Sauret. "Og vi skal være i stand til at sige, 'på dette tidspunkt kan du ikke bruge denne tilgang, og i stedet skal du bruge en anden metode.'" + Udforsk yderligere

Nye billeder fører til bedre forudsigelse af forskydningsfortykkelse