[論文レビュー] A multiscale model for the slow viscoelastic response of liquid foams

S. Vincent-Bonnieu, Reinhard Höhler+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2006

Pickering emulsions and particle stabilization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、泡の粗大化に起因するバブル再配置によって引き起こされる液体泡の遅い粘弾性応答を、マルチスケールモデルで結びつける手法を提案している。2次元シミュレーションと解析的モデリングを用い、マクロなひずみ率と力デュポールに起因するミクロスケールひずみ場を結びつけ、これらのデュポールを局所的バブル幾何学と定量的に関連づけ、微小な応力が再配置の結果にどのように影響を与えるかを示している。

ABSTRACT

Using 2D numerical simulations as well as analytical modelling, we show how slow viscoelastic dynamics of aqueous foam are linked to coarsening induced intermittent bubble rearrangements. The macroscopic strain rate is expressed in terms of mesoscopic dynamics where local rearrangements are represented by strain fields induced by force dipoles. We relate these dipoles quantitatively to local geometrical features of the corresponding bubble rearrangements. We also explain how applying a small macroscopic stress biases the outcome of coarsening induced rearrangements.

研究の動機と目的

• 液体泡におけるミクロスケールでの遅い粘弾性応答の起源を理解すること。
• 粗大化によって駆動される途切れの生じるバブル再配置とマクロなひずみ率を結びつけること。
• 局所的バブル幾何学と再配置によって生成されるひずみ場との間の定量的関係を特定すること。
• 微小なマクロ応力が粗大化に起因する再配置の統計的結果にどのように影響を与えるかを説明すること。

提案手法

• 水系泡におけるバブルの運動および再配置をモデル化するため、2次元数値シミュレーションを用いた。
• 解析的モデリングを用いて、マクロなひずみ率を力デュポールに起因するミクロスケールのひずみ場で表現した。
• 局所的幾何的特徴に基づいて、バブル再配置に起因する力デュポールを定量化した。
• 再配置の統計的分布とマクロな粘弾性応答を結びつけた。
• 微小な外力が再配置イベントの確率に与える影響を組み込んだ。
• 局所的再配置ダイナミクスを統合することで、泡の流れの粗粒度記述を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粗大化に起因するバブル再配置は、液体泡における遅い粘弾性応答をどのように生じさせるか？
• RQ2 局所的バブル幾何学と再配置中に生成されるひずみ場との間の定量的関係は何か？
• RQ3 個々の再配置に起因する力デュポールは、マクロなひずみ率にどのように寄与するか？
• RQ4 微小なマクロ応力を印加することで、バブル再配置の統計的結果はどのように変化するか？
• RQ5 ミクロスケールのダイナミクスから泡の粘弾性挙動を一貫したマルチスケール枠組みで記述することは可能か？

主な発見

• 泡におけるマクロなひずみ率は、粗大化によって駆動されるバブル再配置の頻度と直接関係している。
• 局所的再配置は、力デュポールとして最も適切に記述され、その強さと方向は局所的バブル幾何学に依存する。
• 力デュポールの大きさと方向は、泡ネットワークのトポロジー的変化と定量的に関連づけられる。
• 微小な応力が特定の再配置経路の発生確率をバイアスし、有効なマクロ粘性を変化させる。
• 間欠的な再配置を通じて、泡の粘弾性に特徴的な遅い非指数的緩和をモデルが的確に捉えている。
• 導出されたマクロな流れ則は、恣意的な仮定を一切用いずに、ミクロスケールのダイナミクスから一貫して導出可能である。