[논문 리뷰] Shear thickening, frictionless and frictional rheologies

Romain Mari, Ryohei Seto외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 26.

Force Microscopy Techniques and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고밀도 슬러리에서의 층상 두꺼워짐 현상이 점탄성 상전이 근처에서 마찰성 입자 접촉의 비중이 증가함에 따라 발생하며, 이로 인해 마찰 없는 유체역학에서 마찰성 유체역학으로의 전이가 일어남을 보여준다. 시뮬레이션에서 마찰과 윤활을 함께 고려함으로써 저자들은 비연속적 층상 두꺼워짐을 재현하였으며, 마찰이 점도의 발산을 이끌고 잠금 밀도를 감소시켜 층상 두꺼워짐을 유체역학적 현상이 아닌 기하학적이고 접촉을 통한 현상으로 재정의함을 보였다.

ABSTRACT

Particles suspended in a Newtonian fluid raise the viscosity and also generally give rise to a shear-rate dependent rheology. In particular, pronounced shear thickening may be observed at large solid volume fractions. In a recent article (R. Seto, R. Mari, J. F. Morris, and M. M. Denn., Phys. Rev. Lett., 111:218301, 2013) we have considered the minimum set of components to reproduce the experimentally observed shear thickening behavior, including Discontinuous Shear Thickening (DST). We have found frictional contact forces to be essential, and were able to reproduce the experimental behavior by a simulation including this physical ingredient along with viscous lubrication. In the present article, we thoroughly investigate the effect of friction and express it in the framework of the jamming transition. The viscosity divergence at the jamming transition has been a well known phenomenon in suspension rheology, as reflected in many empirical laws for the viscosity. Friction can affect this divergence, and in particular the jamming packing fraction is reduced if particles are frictional. Within the physical description proposed here, shear thickening is a direct consequence of this effect: as the shear rate increases, friction is increasingly incorporated as more contacts form, leading to a transition from a mostly frictionless to a mostly frictional rheology. This result is significant because it shifts the emphasis from lubrication hydrodynamics and detailed microscopic interactions to geometry and steric constraints close to the jamming transition.

연구 동기 및 목표

• 비유체역학적 효과를 초월하여 비연속적 층상 두꺼워짐(DST)의 물리적 기원을 이해하기 위해.
• 마찰이 입자 슬러리에서의 점탄성 전이와 점도 발산에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 실험적으로 관측된 층상 두꺼워짐 행동을 재현하기 위해 마찰성 접촉이 필수적인지 판단하기 위해.
• 층상 두꺼워짐을 점탄성 근처의 기하학적 제약과 접촉 네트워크의 진화에 기인하는 현상으로 재정의하기 위해.

제안 방법

• 뉴턴 유체 내에서 입자 간 점성 윤활력과 마찰성 접촉력을 포함한 시뮬레이션.
• 정규 및 접선력이 모두 포함된 최소한의 물리적 프레임워크를 사용해 입자 상호작용을 모델링.
• 층상 속도에 따른 접촉 네트워크의 진화와 마찰 기여도 분석.
• 마찰의 존재가 잠금 밀도에 어떻게 영향을 미치는지 분석하여, 잠금에 필요한 임계 부피 분율 감소를 보여줌.
• 점탄성 전이 프레임워크를 활용해 층상 두꺼워짐의 발생 시점과 크기를 해석함.
• 다양한 층상 속도에서 마찰성 접촉 비율을 추적함으로써 마찰 없는 유체역학에서 마찰성 유체역학으로의 전이를 정량화함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마찰은 고밀도 슬러리에서의 점탄성 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 마찰성 접촉은 비연속적 층상 두꺼워짐의 발생에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 세세로 유체역학적 윤활력에 의존하지 않고도 층상 두꺼워짐을 설명할 수 있는가?
• RQ4 접촉 네트워크의 층상 속도에 따른 진화가 거시적 유체역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 마찰성 입자 시스템은 마찰 없는 시스템에 비해 잠금 밀도를 얼마나 감소시키는가?

주요 결과

• 마찰은 잠금 밀도를 감소시켜, 마찰성이 없는 입자들보다 더 낮은 부피 분율에서 마찰성 입자가 잠금 상태에 도달함을 나타낸다.
• 층상 속도가 증가함에 따라 마찰성 접촉의 비중이 증가함에 따라 층상 두꺼워짐이 직접적으로 발생하며, 이는 마찰 없는 유체역학에서 마찰성 유체역학으로의 전이를 의미한다.
• 잠금 근처에서 점도의 발산은 마찰의 영향을 크게 받으며, 전이점 근처의 스케일링 행동이 변화한다.
• 윤활력과 마찰력을 모두 포함한 시뮬레이션은 실험적 층상 두꺼워짐 행동을 재현하였으며, 마찰력이 필수적임을 확인한다.
• 마찰 없는 유체역학에서 마찰성 유체역학으로의 전이는 유체역학적 상호작용이 아닌 기하학적 제약과 접촉 네트워크 형성에 의해 주도된다.
• 본 연구는 층상 두꺼워짐을 유체역학적 현상가 아니라 점탄성 물리학에 뿌리를 두고 기하학적이고 접촉을 통한 현상으로 재정의한다.