[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种多尺度模型，将液态泡沫的缓慢粘弹性响应与粗化引起的气泡重排联系起来。通过二维模拟和解析建模，该模型将宏观应变率与由力偶产生的介观应变场联系起来，定量地关联了这些力偶与局部气泡几何结构，并阐明了微小应力如何影响重排结果。

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.

研究动机与目标

• 理解液态泡沫在介观尺度上缓慢粘弹性响应的起源。
• 将宏观应变率与由粗化驱动的间歇性气泡重排联系起来。
• 量化局部气泡几何结构与重排过程中产生的应变场之间的关系。
• 解释微小宏观应力如何影响粗化诱导重排的统计结果。

提出的方法

• 采用二维数值模拟来模拟水相泡沫中气泡的动力学与重排行为。
• 使用解析建模，将宏观应变率表示为由力偶产生的介观应变场的函数。
• 基于局部几何特征，量化由气泡重排产生的力偶。
• 将重排的统计分布与宏观粘弹性响应联系起来。
• 纳入微小外加应力对重排事件发生概率的影响。
• 通过积分局部重排动力学，推导出泡沫流变学的粗粒化描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 粗化引起的气泡重排如何导致液态泡沫中缓慢的粘弹性响应？
• RQ2 局部气泡几何结构与重排过程中产生的应变场之间存在何种定量关系？
• RQ3 单个重排产生的力偶如何贡献于宏观应变率？
• RQ4 施加微小宏观应力如何改变气泡重排的统计结果？
• RQ5 能否构建一个一致的多尺度框架，从介观动力学描述泡沫的粘弹性行为？

主要发现

• 泡沫的宏观应变率与由粗化驱动的气泡重排速率直接相关。
• 局部重排产生的应变场最宜用作力偶来描述，其强度和方向取决于局部气泡几何结构。
• 力偶的大小和方向与泡沫网络的拓扑变化存在定量关联。
• 微小外加应力会偏倚特定重排路径的发生概率，从而改变有效宏观黏度。
• 该模型通过间歇性重排成功捕捉了泡沫粘弹性典型的缓慢、非指数型松弛行为。
• 所推导的宏观流变学行为一致地从介观动力学中涌现，无需人为假设。