[论文解读] The physics of dense suspensions

Christopher Ness, Ryohei Seto+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Advanced Materials and Mechanics被引用 5

一句话总结

本综述通过聚焦于jamming转变，建立了一个统一框架，将密集悬浮液的微观粒子物理与宏观流变学联系起来，其中靠近与应力相关的临界体积分数φJ决定了流动行为。该视角展示了如何一致地解释多种非牛顿现象，并为基于非平衡统计力学的预测性连续介质模型铺平了道路。

ABSTRACT

Dense suspensions of particles are relevant to many applications and are a key platform for developing a fundamental physics of out-of-equilibrium systems. They present challenging flow properties, apparently turning from liquid to solid upon small changes in composition or, intriguingly, in the driving forces applied to them. The emergent physics close to the ubiquitous jamming transition (and to some extent the glass and gelation transitions) provides common principles with which to achieve a consistent interpretation of a vast set of phenomena reported in the literature. In light of this, we review the current state of understanding regarding the relation between the physics at the particle scale and the rheology at the macroscopic scale. We further show how this perspective opens new avenues for the development of continuum models for dense suspensions.

研究动机与目标

• 通过jamming转变的视角，统一理解密集悬浮液中多样的流变行为。
• 在非平衡系统中，弥合微观粒子尺度物理与宏观流变响应之间的鸿沟。
• 阐明应力依赖的jamming转变及粒子接触力在调控流动转变中的作用。
• 为捕捉复杂悬浮液行为（超越经验方法）的连续介质模型奠定基础。
• 突出在建模非理想粒子、非牛顿溶剂以及密集悬浮液中自由表面效应方面仍存在的开放挑战。

提出的方法

• 将jamming转变视为临界点，其中固相体积分数φ趋近于与应力相关的临界值φJ。
• 采用μ(J)流变学框架，将宏观应力与粒子尺度协调数及惯性数J关联起来。
• 应用统计力学原理描述接近jamming的程度，特别是针对无摩擦球体。
• 将粒子接触物理（包括摩擦力和微凸起级相互作用）整合入宏观模型。
• 整合流体动力学效应与边界条件，尤其关注自由表面在毛细力和曲率中的作用。
• 构建考虑粒子尺度约束及jamming附近变形的等效连续介质模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 φJ定义的jamming转变接近程度如何决定密集悬浮液的宏观流变学行为？
• RQ2 μ(J)流变学框架在非球形、多分散或非刚性粒子的悬浮液中能在多大程度上被推广？
• RQ3 粒子尺度接触力（尤其是仅有少量微凸起时）如何影响jamming转变及流动行为？
• RQ4 自由表面在密集悬浮液流动中起到什么作用，特别是在界面曲率和毛细力方面？
• RQ5 如何调整连续介质模型以包含弹性结构和非牛顿溶剂在密集悬浮液中的影响？

主要发现

• 在应力依赖的临界体积分数φJ处发生的jamming转变，为理解密集悬浮液中可逆的液-固转变提供了一个统一原理。
• μ(J)流变学模型通过将应力与惯性数J及接近jamming的程度关联，成功捕捉了宏观流动行为。
• 粒子尺度物理（包括摩擦力和接触力学）对流变响应具有决定性影响，必须被纳入连续介质模型。
• 由于毛细力与1/a成正比，自由表面显著影响流动动力学，导致界面不稳定性及微米尺度的粒子形变。
• 基于软模式和统计力学的理论框架目前仅适用于无摩擦球体，凸显了含摩擦建模中的关键空白。
• 可通过受几何结构在jamming附近影响的等效局部剪切速率来建模非牛顿溶剂，为推广通用模型指明了方向。