Concentrated ferrofluid emulsions under shear flow and uniform magnetic fields

Abstract

Este trabalho investiga a resposta de uma emulsão magnética semidiluída sujeita a fluxos de cisalhamento simples e a um campo magnético externo uniforme. Nossa análise emprega um domínio numérico tridimensional onde gotas monodispersas de ferrofluido estão suspensas aleatoriamente em um fluido carreador Newtoniano não magnético. As equações de Navier-Stokes incompressíveis são resolvidas usando um método de projeção de segunda ordem. Além disso, utilizamos o método de level set para capturar a interface e, assumindo que as superfícies das gotas estão livres de surfactantes, implementamos uma força repulsiva entre elas para evitar a coalescência. Definimos diferentes concentrações de gotas, números de capilaridade e números de capilaridade magnética. Primeiro, na ausência de campo magnético, determinamos a viscosidade efetiva variando as concentrações de gotas e os fluxos de cisalhamento, obtendo resultados que concordam bem com trabalhos anteriores. Posteriormente, observamos que a deformação e o ângulo de inclinação das gotículas aumentam com o número capilar magnético, enquanto diminuem quando a fração de volume aumenta. O ângulo de inclinação é o ângulo entre o eixo principal da gotícula e a direção principal do fluxo (direção x). Constatamos que as interações entre gotas podem alterar significativamente a dinâmica e a geometria das gotas, levando a uma resposta dinâmica. Essas mudanças geométricas causam variações tanto na viscosidade quanto na magnetização média da emulsão. À medida que o número de capilaridade magnética e a fração volumétrica aumentam, ambas as propriedades se elevam. No entanto, quando normalizadas pela fração volumétrica, observamos que as gotas em regimes diluídos contribuem mais significativamente para essas propriedades médias. Apesar da hipótese superparamagnética, calculamos um ângulo de desalinhamento entre a magnetização e o campo magnético externo, gerando torques nas gotas. Para baixos números de capilaridade, um aumento na concentração de gotas reduz o ângulo, enquanto para concentrações mais altas, o ângulo aumenta. No geral, investigamos os efeitos que a presença de múltiplas gotas de ferrofluido causa nas propriedades médias da emulsão.