Dokument: Continuum Mechanics Studies on Glass-Forming Liquids

Titel:	Continuum Mechanics Studies on Glass-Forming Liquids
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47615
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181031-110032-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Cardenas, Heliana [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 353,35 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.10.2018 / geändert 19.10.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Voigtmann Thomas [Gutachter] Prof. Dr. Horbach, Jürgen [Gutachter]
Stichwörter:	glass-transition, continuum, mechanics, viscoelastic, newtonian, fluids
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Glasbildende Flüssigkeiten weisen um viele Größenordnungen grössere Zeitskalen auf als die Bewegung eines Einzelteilchens: Ihre Dynamik hängt von langsamen, kollektiven, strukturellen Relaxationsprozessen ab, die Viskoelastizität verursachen. Folglich ist ihre Rheologie stark nichtlinear und unter starker Verformung nicht-Newtonsch aufgrund ihrer Fließgrenze und Scherverdünnung. Mikroskopische Verformung kann zu heterogenen Fließmustern wie z.B. Scherbändern oder Kooperativität im Fluss führen: Aktive Bereiche übertragen Spannung auf ihre Nachbarn innerhalb der ,,Kooperationslänge". Somit ist die Spannung nicht-lokal und diffundiert mit einer durch die plastische Aktivität definierten Rate. Ein phänomenologisches Model der Flussfähigkeit wurde benutzt, um die konkurrierenden Prozesse der strukturellen, stationären Relaxation und der flussinduzierten Relaxation zu untersuchen. Das Model reproduziert typische nicht-Newtonsche Effekte wie z.B. Pfropfenströmung im Zentrum einer druckgetriebenen Kanalströmung. Einfache Scherung führt zur Bildung transienter Scherbänder, die sich im stationären Zustand auflösen, während durch Wandeffekte langlebige Bänder entstehen. Memory-Effekte wie z.B. eingefrorene Spannungen nach dem Ausschalten einer einfachen Scherung können ebenfalls reproduziert werden. Die Fließgeschwindigkeit sinkt auf Null, während die Scherspannung weiter besteht. Andere, nicht-triviale Geometrien wie z.B. Strömung in einem Hohlraum, durch einen verjüngenden Kanal und in Anwesenheit von Hindernissen wurden untersucht. Sedimentation von nicht-brownschen Partikeln wurde im Model des glasbildenden Fließverhaltens mit der Methode der fiktiven Domänen (FDM) kombiniert mit einer Diskreten-Element Methode (DEM) analysiert. Sedimentierende Teilchen fluidisieren ihre Umgebung in einem Bereich, der durch die Kooperationslänge bestimmt wird. Unser Model kann den Drafting-Kissing-Chaining-Effekt reproduzieren, der erwartet wird, wenn zwei Teilchen, die anfangs vertikal getrennt sind, zusammen sedimentieren: Das obere Teilchen beschleunigt, sobald es in den Einflussbereich des vorderen Teilchens eintritt, die Teilchen berühren sich und sinken so zu Boden. In scherverdünnenden Fluiden ist dieser Effekt stärker ausgeprägt als in viskoelastischen, da ein Bereich mit niedrigerer Viskosität hinter dem führenden Teilchen gebildet wird, wodurch das nachfolgende Teilchen beschleunigt wird. Für alle Berechnungen wurde die Finite-Volumen-Methode (FVM) und eine CFD-DEM-Kombination auf Basis der Software OpenFOAM eingesetzt. Glass forming liquids show relaxation on a timescale that is many orders of magnitude higher than that of single particle motion: their dynamics depends on slow collective structural relaxation processes that cause viscoelasticity. Consequently, their rheology is highly non-linear and, under strong driving, the flow becomes non-Newtonian; it is characterized by a yield stress and by shear thinning. Microscopic yielding can produce heterogeneous flow patterns like shear bands and cooperativity in the flow: active areas will induce stress to their neighbors up to a length scale called “cooperativity length”; hence the stress is non-local and diffuses at a rate defined by plastic activity. We use a phenomenological fluidity model to capture the competition between the quiescent structural relaxation and flow-induced relaxation. This model reproduces typical non-Newtonian effects like plug flow in the center of a pressure-driven flow as a signature of the existence of a yield stress. In simple shear start-up, we observe transient shear bands that disappear when steady state is reached, whereas long-lasting bands can result from wall effects. Memory effects, like residual stresses found in glasses, are also reproduced: after removing the applied shear rate in a non-equilibrium stationary state in simple shear, the fluid velocity drops to zero yet the shear stress remains present. Other non-trivial geometries were probed like lid-driven cavity flow, flow going through an abrupt 4:1 contraction and also through a plate with obstacles. We have studied the sedimentation of non-Brownian particles in the glass-forming fluidity model using a resolved Fictitious Domain Method (FDM) coupled to a Lagrangian Discrete Element Method (DEM) to track particles. Sedimenting particles will fluidize the neighboring areas up to a scale defined by the cooperativity length around them. Our model can reproduce the so-called drafting-kissing-chaining effect expected when two particles separated by an initial vertical distance start sedimenting on top of each other: the particle on top accelerates when entering the wake of the leading particle until they touch and remain together before reaching the bottom. In shear thinning fluids this effect is more pronounced than in viscoelastic fluids because a corridor with lower viscosity is formed behind the trailing particle accelerating the following one. We used computational fluid dynamics (CFD) package OpenFOAM and CFD-DEM-coupling by means of the finite volume method to perform all mentioned calculations.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	31.10.2018
Dateien geändert am:	31.10.2018
Promotionsantrag am:	18.05.2018
Datum der Promotion:	24.09.2018