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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Non-equilibrium magnetization dynamics in ferrofluids subjected to quadratic flows : Dinâmica de magnetização de não equilíbrio em ferrofluidos sujeitos a escoamentos quadráticos
Title Alternative: Dinâmica de magnetização de não equilíbrio em ferrofluidos sujeitos a escoamentos quadráticos
Author: Carvalho, Douglas Daniel de, 1991-
Advisor: Gontijo, Rafael Gabler, 1985-
Abstract: Resumo: Neste trabalho são realizadas simulações por Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) de um escoamento de Poiseuille plano de um ferrofluido sob a ação de um campo magnético uniforme aplicado. Uma metodologia numérica original para calcular campos magnéticos e hidrodinâmicos é proposta, incluindo uma discussão importante sobre uma região de entrada de magnetização identificada. Três modelos de magnetização diferentes são considerados para calcular o campo de magnetização. Esses modelos são implementados e validados por meio de diferentes abordagens, incluindo uma teoria assintótica desenvolvida neste manuscrito. As discrepâncias obtidas entre os resultados dados pelos diferentes modelos são fisicamente discutidas e interpretadas por meio das escalas de tempo do problema. Um intrincado equilíbrio entre diferentes mecanismos físicos é identificado e parece ser responsável por um comportamento difusivo do campo de magnetização. Esse equilíbrio é regido por uma competição entre a vorticidade do escoamento e os mecanismos de relaxação magnética, o que leva à proposição de um coeficiente difusivo de magnetização equivalente. Além disso, mostra-se que a combinação de três diferentes escalas de tempo rege a dinâmica do desequilíbrio da magnetização: a escala de tempo difusiva Browniana, uma hidrodinâmica (convectiva) e uma escala de tempo magnética controlável associada à intensidade do campo magnético aplicado. Os resultados obtidos indicam a possibilidade de se controlar o desenvolvimento do campo de magnetização do fluxo por meio do campo magnético aplicado, da distribuição do tamanho das partículas, da concentração do fluido e da vazão. Inúmeros resultados relativos ao escoamento totalmente desenvolvido também são apresentados, incluindo perfis de magnetização e ângulos entre o campo aplicado ???? e o campo de magnetização ????. Além disso, um perfil de magnetização contínua para o fluxo totalmente desenvolvido é reconstruído usando uma abordagem de dinâmica de Langevin discreta para as partículas magnéticas. As simulações dinâmicas discretas de Langevin de uma coleção de partículas interagindo magneticamente leva em consideração as interações de longo alcance às quais as partículas estão sujeitas. Assim, as partículas interagem magneticamente com um campo magnético externo aplicado e com elas mesmas através de seus momentos dipolares magnéticos, além de estarem sujeitas a flutuações Brownianas devido ao seu pequeno tamanho. Nesta metodologia, os valores de vorticidade local extraídos das simulações CFD são usados ??como entrada para as simulações numéricas discretas, que consideram uma suspensão coloidal submetida a um escoamento Couette local. Supõe-se que os momentos dipolares das partículas magnéticas são fixos a si mesmas, o que significa que giram ao longo da velocidade angular da partícula sem atraso. Para tanto, a rotação de partículas, promovida tanto por torques Brownianos quanto magnéticos, também é explorada nas simulações discretas, uma vez que a resposta de magnetização da suspensão está estritamente relacionada ao movimento rotacional das partículas. As equações que governam o movimento de partículas magnéticas suspensas em um fluido viscoso são resolvidas por simulações numéricas diretas em diferentes cenários físicos. Em geral, uma concordância muito boa entre os perfis de magnetização contínua e discreta foi obtida

Abstract: In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of a ferrofluid plane Poiseuille flow under the action of a uniform applied magnetic field are performed. An original numerical methodology to compute magnetic and hydrodynamic fields is proposed, including an important discussion regarding an identified magnetization entrance region. Three different magnetization models are considered in order to compute the magnetization field. These models are implemented and validated through different approaches, including an asymptotic theory developed in this manuscript. The obtained discrepancies between the results given by the different models are physically discussed and interpreted by means of the problem¿s timescales. An intricate balance between different physical mechanisms is identified and it seems to be responsible for a diffusive-like behavior of the magnetization field. This balance is ruled by a competition between the flow¿s vorticity and magnetic relaxation mechanisms, which leads to the proposition of an equivalent diffusive coefficient of magnetization. In addition, it is shown that the combination of three different timescales rules magnetization non-equilibrium dynamics: the Brownian diffusive timescale, a (convective) hydrodynamic and a controllable magnetic timescale associated with the intensity of the applied magnetic field. The obtained results indicate towards the possibility of ontrolling the development of the flow¿s magnetization field by means of the applied magnetic field, size distribution of the particles, concentration of the fluid and flow rate. Numerous results regarding the fully developed flow are also presented, including magnetization profiles and angles between the applied field ???? and the magnetization field ????. In addition, a continuous magnetization profile for the fully developed flow is reconstructed by using a discrete Langevin dynamics approach for the agnetic particles. The discrete Langevin dynamics simulations of a collection of magnetically interacting particles takes into consideration long-range interactions to which the particles are subjected to. Hence, the particles interact magnetically with an external applied magnetic field and with themselves through their magnetic dipole moments, besides being subjected to Brownian fluctuations due to their small size. In this methodology, local vorticity values extracted from the CFD simulations are used as an input for the discrete numerical simulations, which consider a colloidal suspension subjected to a local Couette flow. It is assumed that the dipole moments of the magnetic particles are fixed to themselves, meaning they rotate along the particle¿s angular velocity without delay. For this purpose, particle rotation, promoted both by Brownian and magnetic torques, is also explored in the discrete simulations, since the suspension¿s magnetization response is strictly related to the particles¿ rotational movement. The equations governing the motion of magnetic particles suspended in a viscous fluid are solved by direct numerical simulations under different physical scenarios. In general, a very good agreement between the continuous and discrete magnetization profiles was obtained
Subject: Fluídos magnéticos
Magnetização
Langevin, Dinâmica de
Fluidodinâmica computacional
Poiseuille, Fluxo de
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: CARVALHO, Douglas Daniel de. Non-equilibrium magnetization dynamics in ferrofluids subjected to quadratic flows: Dinâmica de magnetização de não equilíbrio em ferrofluidos sujeitos a escoamentos quadráticos. 2020. 1 recurso online (230 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2020
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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