有限惯性下纤维悬浮液的数值研究

我们提出了一项关于不同弯曲刚度和 Reynolds 数下半稀释及浓纤维悬浮液流变学的数值研究，其中使用浸入边界方法耦合流体与固体。纤维被视为具有固定长宽比的一维不可伸长细长体，服从 Euler-Bernoulli 梁方程。为了理解全局悬浮行为，我们将其与纤维微结构、变形和弹性能联系起来，并考察应力收支以量化弹性贡献的影响。在固定体积分数下，悬浮液的黏度在弯曲刚度减小时降低，在 Reynolds 数增大时升高。尽管此处考虑的仍处于层流区，但在有限惯性下相对黏度的变化更为显著。此外，我们发现第一法向应力差与聚合物流体中一样为正，且随 Reynolds 数增大而增大；其值在纤维弯曲刚度取某一中间值时达到峰值。该峰值与 Reynolds 数成正比，并在更大惯性下向更刚性的悬浮液移动。此外，黏度随纤维体积分数增大而升高，且纤维应力随弯曲刚度增大的速率在较高 Reynolds 数下更强，并随体积分数增大而减弱。我们表明，此行为与流动中更有序结构的形成有关，其中纤维趋于更加对齐并作为紧凑聚集体移动，从而尽管体积分数增加，纤维间的相互作用却减少了。