Rheology and flow simulation of shear thickening suspensions

• Project/Area Number: 17K05618
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Biological physics/Chemical physics/Soft matter physics
• Research Institution: Kyoto University (2018); Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (2017)
• Principal Investigator: 瀬戸 亮平 京都大学, 工学研究科, 特定研究員 (90791575)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 法線応力差 / ジャミング / シアジャミング / 非ニュートン性 / 懸濁液 / 伸長流 / レオロジー / サスペンション / シアシックニング / 流体 / 計算物理 / 統計力学 / 化学工学 / 流体工学

Outline of Annual Research Achievements

最終年度では，シアシックニングが顕著に見られる濃厚懸濁液を巨視的スケールの数値流体力学として取り扱う計算手法の開発に向けて以下の2つの観点から取り組み成果を得ることができた．1つ目は法線応力差のシミュレーションによる評価とその理解についての進展である．高分子系などの粘弾性流体と異なり，微粒子懸濁液における法線応力差の意味は十分に理解されていなかった．シミュレーションと理論的な考察を行い，懸濁液の第1法線応力差の意味が明確になった．法線応力の役割を理解することは，構成則モデルを導入する際に粘性流体モデルが有効かどうかを判断する材料になる．この研究で，弾性応力の寄与を考える必要があることが明らかになった．2つ目はシアジャミングについての研究である．流れの中で剛性が現れるシアジャミングは，濃厚懸濁液の特殊な流動履歴依存性をもっとも顕著に現している．応力制御のシミュレーションによって，このシアジャミングを再現し，応力軸が変わるとまた流動するというフラジリティを評価することに成功した．この法線応力差とシアジャミングの研究は，懸濁液の特異性を明確にするものであり，本研究計画の目標を達成するためには不可欠な項目であった．
初年度では，濃厚懸濁液のレオロジー特性を平面伸長流と単純剪断流で比較することで，シアシックニング挙動の流動タイプ依存性を数値的に評価した．そして，異なる流動タイプの非ニュートン流体応答を統一的に扱うレオロジーの枠組みを導入した．本研究は濃厚懸濁液を非ニュートン流体として捉えて連続体シミュレーションを行うことを目標としていた．しかし，本研究を通じて構成則モデルを導入する前に確認すべき事項が濃厚懸濁液の特異性が認識した．この2年間で3つの側面から調べてそれぞれ論文として報告した．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Politecnico di Milano(Italy)
• [Int'l Joint Research] Benjamin Levich Institute/CUNY City College of New York(米国)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] A theoretical framework for steady-state rheometry in generic flow conditions (2018)
  • Author(s): Giusteri Giulio G.、Seto Ryohei
  • Journal Title: Journal of Rheology Volume: 62 Issue: 3 Pages: 713-723
  • DOI: 10.1122/1.4986840
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Normal stress differences in dense suspensions (2018)
  • Author(s): Seto Ryohei、Giusteri Giulio G.
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 857 Pages: 200-215
  • DOI: 10.1017/jfm.2018.743
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microstructure and thickening of dense suspensions under extensional and shear flows (2017)
  • Author(s): Seto Ryohei、Giusteri Giulio G.、Martiniello Antonio
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 825
  • DOI: 10.1017/jfm.2017.469
• [Presentation] Extensional versus shear rheologies for dense suspensions (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: Annual European Rheology Conference 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Macroscopicflowsofdensesuspensionsinwide-gapCouettecells―MigrationandShearThickening (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: The 7th Pacific Rim Conference on Rheology,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisotropy of sheared dense suspensions: normal stress differences and microstructure (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: Rheology of disordered particles―suspensions, glassy and granular materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] On normal stress differences of dense suspensions (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Simulation method of dense suspensions―Overdamped discrete element method with hy- drodynamic lubrication (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: 2018 Inter- national Symposium on Multiple Scale Modelling of Complex Fluids― Fundamental Challenge and Industrial Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Shear Thickening suspensions in a wide gap Couette cell (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: 2018 Inter- national Symposium on Multiple Scale Modelling of Complex Fluids― Fundamental Challenge and Industrial Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Normal stress differences in dense suspensions (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: レオロジー討論会
• [Presentation] Shear jamming and rheology of dense suspensions (2018)
  • Author(s): Ryohei Seto
  • Organizer: IUTAM Symposium on Dynamics of Complex Fluids and Interfaces
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Constitutive characterization of concentrated particle suspensions (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: IUTAM/AMERIMECH SYMPOSIUM Computational Mechanics of Particle-Functionalized Fluid and Solid Materials for Additive Manufacturing and 3D Printing Processes
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Simulation model for dense suspension rheology: Stokesian-DEM (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: レオロジー・ミニシンポジウム(東京大学新領域)
  • Invited
• [Presentation] Shear thickening and jamming transition under extensional flows (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Non-Newtonian fluid behavior of dense suspensions in simple shear and extensional flows (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: The Society of Rheology 89th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A theoretical framework for steady-state rheometry in generic flow conditions (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: The Society of Rheology 89th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward non-Newtonian fluid model for dense suspensions (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: レオロジー討論会
• [Presentation] コロイド分散系の伸長流レオロジー (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: 分子シミュレーション討論会,
• [Presentation] 応力テンソルの基底分解による一般レオロジー関数の導入 (2017)
  • Author(s): 瀬戸亮平
  • Organizer: 鳥取非線形研究会
  • Invited
• [Remarks] Shear jamming and fragility in dense suspensions
  • URL: https://arxiv.org/abs/1902.04361
• [Remarks] Focus on Fluids の研究紹介記事
  • URL: https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/shear-thickening-in-nonshear-flows-the-effect-of-microstructure/3CC84E8FD0F07EC52A7FD307E894674F