Magnetic emulsions in shear flow under external magnetic fields

Abstract

Este trabalho analisa a resposta de uma gota plana de ferrofluido imersa em um líquido newtoniano não magnético à ação combinada de um campo magnético externo e um escoamento cisalhante simples permanente. Uma metodologia numérica baseada no Método de Projeção e no Método Level-Set é desenvolvida para resolver o campo magnético, as equações completas de Navier-Stokes contemplando forças capilares e magnéticas, e capturar a interface líquido-líquido. Os resultados mostram que a força magnética exerce forte influência na inclinação da gota e na viscosidade da emulsão. O alinhamento da gota com a direção do campo magnético aplicado aumenta com a intensidade deste campo. Quando o campo externo é paralelo à direção do escoamento, a gota se alinha fortemente com as linhas de corrente, o que reduz sua contribuição na viscosidade da emulsão. Por sua vez, quando o campo externo é perpendicular à direção do escoamento, a inclinação da gota se torna mais alta, levando a um aumento dramático da viscosidade do fluido complexo resultante. Também mostramos que os campos magnéticos externos podem ser usados para controlar o processo de ruptura de gotas em termos de tempo para o rompimento e tamanho das gotas filhas. Campos externos aplicados na direção do escoamento atrasam o processo de ruptura e reduzem o tamanho da gota satélite. Notavelmente, há um número de capilaridade magnética crítico acima do qual a gota se torna tão alinhada com o escoamento que o rompimento não acontece. Alternativamente, quando o campo externo é aplicado perpendicularmente à direção do escoamento, dois mecanismos opostos ditam o processo de ruptura. Por um lado, a inclinação da gota cresce, o que aumenta as forças de cisalhamento que podem levar à ruptura. Por outro lado, a quantidade de líquido na região do pescoço da gota deformada também cresce, o que torna o processo de ruptura mais difícil. Assim, se a gota romper, o campo magnético aumenta o tamanho da gota satélite. Finalmente, também verificamos que os campos magnéticos externos aplicados perpendicularmente à direção do escoamento podem ser usados para induzir a ruptura de gotas que não iriam romper somente sob a ação do escoamento cisalhante. Em resumo, os resultados aqui apresentados destacam que os campos magnéticos externos podem ser potencialmente utilizados para controlar transformações topológicas de gotas de ferrofluido e projetar emulsões magnetoreológicas com funções específicas do material macroscópico.