Structuration of the velocity field in suspensions oscillating through Hele-Shaw cells

GARCIA, A. A.; ROHT, Y. L.; GAUTHIER, G.; SALIN, D.; HULIN, J. P.; DRAZER, G.; IPPOLITO, I.

San Luis

Congreso; XVII Reunión sobre Recientes Avances en Física de Fluidos y sus Aplicaciones; 2023

La presencia de partículas sólidas en un fluido puede cambiarsignificativamente la forma en que éste fluye. Los flujos de suspensiones departículas no coloidales se encuentran en diversos procesos industriales (procesamientode alimentos, reprocesamiento de residuos nucleares, fabricación de hormigón oplásticos reforzados), biológicos (análisis de sangre) o de ingenieríaambiental (tratamiento de aguas residuales), y por lo tanto, son un sistema degran interés tanto práctico como académico.En este trabajo estudiamos experimentalmente el flujo oscilantede una suspensión concentrada de partículas esféricas de PMMA (diámetro 40 μm) enuna celda de Hele-Shaw de sección rectangular y apertura H = 1 mm. Se utilizó un fluido isodenso e isoíndice, con unaviscosidad de 7,6 mPa.s, y se varió la fracción de partículas ϕ entre 15% y 40% en volumen. Utilizamosuna bomba de jeringas para generar un flujo oscilante con amplitud A entre 1 y 20 mm, y con periodos T entre 2 y 10 s, trabajando siempre concaudales dentro del régimen viscoso (Re < 1). Teñimos unporcentaje de las partículas y utilizamos fluorescencia laser paravisualizarlas en el espesor de la celda y en un plano a lo largo de la misma. La evolución en el tiempo del campo de velocidades de laspartículas, obtenido a partir de sus trayectorias, muestra que inicialmente elflujo posee un perfil de velocidades tipo tapón. El mismo es consecuencia deuna mayor concentración de partículas presentes en el centro de la apertura yes consistente con resultados previos de la bibliografía y modelos de migracióninducida por cizalla. Luego un número de oscilaciones, observamos que el flujose inestabiliza y crece el movimiento de partículas en la dirección transversalal flujo principal. La velocidad transversal presenta una estructuraespacialmente periódica a lo largo de la dirección de flujo, caracterizada poruna longitud de onda. Definimos el tiempo τde inicio de la inestabilidad y locaracterizamos en función de la amplitud de oscilación A y la fracción ϕ departículas. La tasa de crecimiento se estimó con la relación T/τ, que aumenta linealmente con A/H a partir de un umbral≈ 1 y se vuelve aproximadamente constante entorno a A/H = 5. Además, lapendiente de la variación lineal aumenta con la fracción de partículas, indicandoque la inestabilidad se desarrolla más rápidamente. Estos resultados se hanobservado para ϕ ≥ 15% y hasta A/H≈ 20.