[论文解读] Accelerated drop detachment in dense granular suspensions

Claire Bonnoit, Éric Clément+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2010

Granular flow and fluidized beds被引用 2

一句话总结

本研究通过可调体积分数（15–55%）和粒径（20–140 μm）的模型悬浮液，研究了密集颗粒悬浮液中的液滴分离现象。研究揭示了两种不同的分离阶段：早期阶段由悬浮液黏度主导，晚期阶段的动力学行为虽仍存在颗粒，但与孔隙流体动力学一致，最终的断颈过程因粒径效应对颈缩的加速而加快。

ABSTRACT

We experimentally study the detachment of drops of granular suspensions using a density matched model suspension with varying volume fraction ({\phi} = 15% to 55%) and grain diameter (d = 20 {\mu}m to 140 {\mu}m). We show that at the beginning of the detachment process, the suspensions behave as an effective fluid. The detachment dynamics in this regime can be entirely described by the shear viscosity of the suspension. At later stages of the detachment the dynamics become independent of the volume fraction and are found to be identical to the dynamics of the interstitial fluid. Surprisingly, visual observation reveals that at this stage particles are still present in the neck. We suspect rearrangements of particles to locally free the neck of grains, causing the observed dynamics. Close to the final pinch off, the detachment of the suspensions is further accelerated, compared to the dynamics of pure interstitial fluid. This acceleration might be due to the fact that the neck diameter gets of the order of magnitude of the size of the grains and a continuous thinning of the liquid thread is not possible any more. The crossover between the different detachment regimes is function of the grain size and the initial volume fraction. We characterize the overall acceleration as a function of the grain size and volume fraction.

研究动机与目标

• 理解在不同体积分数和粒径条件下，密集颗粒悬浮液的分离动力学。
• 确定颗粒相互作用与悬浮液流变性质如何影响分离过程。
• 研究悬浮液中黏性与类流体分离阶段之间的转变机制。
• 解释尽管颈部存在颗粒，最终断颈阶段仍出现意外加速的原因。

提出的方法

• 通过密度匹配的模型悬浮液进行实验，以隔离流变效应与浮力的影响。
• 制备了体积分数（φ = 15% 至 55%）和粒径（d = 20 μm 至 140 μm）可控的悬浮液。
• 通过高速成像分析分离动力学，追踪颈部演化与断颈时间。
• 测量悬浮液的剪切黏度，并用于建模早期阶段的分离行为。
• 将晚期阶段的动力学与孔隙流体行为进行比较，以识别偏差或相似性。
• 通过视觉观察推断在晚期颈缩过程中颈部区域的颗粒重排行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 颗粒体积分数如何影响颗粒悬浮液的早期分离动力学？
• RQ2 尽管颈部可见颗粒，为何悬浮液的晚期分离动力学与孔隙流体一致？
• RQ3 与纯流体行为相比，为何观察到最终断颈阶段存在显著加速？
• RQ4 粒径与初始体积分数如何影响分离阶段之间的转变？

主要发现

• 在早期分离阶段，动力学行为完全由悬浮液的剪切黏度决定。
• 在晚期阶段，分离动力学与体积分数无关，且与孔隙流体的动力学行为一致。
• 尽管动力学行为类流体，视觉观察证实颗粒在晚期颈缩过程中仍保留在颈部区域。
• 与纯孔隙流体相比，观察到最终断颈阶段存在显著加速，归因于粒径对颈部变薄的效应。
• 分离阶段之间的转变取决于粒径与初始体积分数的共同作用。
• 整体分离加速现象可定量表征为颗粒尺寸与体积分数的函数。