Interaction of spheres in a viscoelastic fluid

Summary

The interaction between two identical spheres of radiusa in a second-order fluid is studied, if the undisturbed flow is a general homogeneous flow. WithR the (instantaneous) distance between the sphere centers only the situationa/R ≪ 1 is considered. It turns out that it is not sufficient to know thea/R-term of the perturbation velocity, since certain contributions of the (a/R)²-terms are also needed. For two spheres sedimenting in a quiescent fluid a change of the relative position vector is predicted: the distance decreases and so does the orientation, i.e. the spheres tend to fall along their line of centers. If the motion of the individual sphere is restrained via a rigid connection (rigid dumbbell) this change of orientation implies that the dumbbell rotates until its axis is parallel to the direction of the applied force (stable orientation). In simple shear the “first-order” dumbbell (a/R-terms due to interaction) ultimately ends up in the plane normal to the gradient direction, independent of the rate of shear. This contrasts the behavior of a “second-order” dumbbell: if the symmetry axis lies in the plane of flow it will rotate around the vorticity axis at small rates of shear. Increasing the shear rate this dumbbell reaches a spinfree terminal state in which the angle between the symmetry axis and the flow direction is non-zero (although it is small). It is conjectured that for arbitrary initial orientations (not in the flow plane) the axis of the “second-order” dumbbell will not rotate in the Jeffrey orbits but rather show a systematic drift to become oriented parallel to the vorticity axis.

Zusammenfassung

Die Wechselwirkung zweier identischer Kugeln vom Radiusa in einer beliebigen homogenen Strömung einer Flüssigkeit zweiter Ordnung wird untersucht. MitR dem (augenblicklichen) Abstand der Kugelzentren beschränken wir uns auf die Situationa/R ≪ 1. Es zeigt sich, daß es nicht genügt, diea/R-Glieder der Störungsgeschwindigkeit zu kennen, da einige Beiträge der (a/R)²-Terme ebenso benötigt werden. Für zwei in einer ruhenden Flüssigkeit sedimentierende Kugeln wird eine Änderung der relativen Position vorausgesagt: der Abstand verkleinert sich, und das gleiche gilt für die Orientierung, d. h. die Kugeln streben die Situation, hintereinander zu fallen, an. Schränkt man die Bewegung der individuellen Kugeln durch eine starre Verbindung ein (starre Hantel), so zieht diese Orientierungsänderung eine Rotation nach sich, die die Hantelachse parallel zur Richtung der angreifenden Kraft ausrichtet (stabile Orientierung). Bei einer einfachen Scherung wandert unabhängig von der Schergeschwindigkeit die Achse einer Hantel „erster Ordnung“ (die nur die Wechselwirkungsgliedera/R enthält) in der Ebene, deren Normale in Gradientenrichtung zeigt. Damit verhält sie sich völlig anders als eine Hantel „zweiter Ordnung“: Liegt bei letzterer die Symmetrieachse in der Strömungsebene, so rotiert diese bei kleinen Schergeschwindigkeiten um eine Achse senkrecht zur Strömungsebene. Bei einer Vergrößerung der Schergeschwindigkeit wird dagegen eine rotationsfreie Lage erreicht, bei der die Hantelachse unter einem kleinen Winkel zur Strömungsrichtung steht. Bei einer beliebigen Anfangsorientierung (außer in der Strömungsebene) schließen wir auf eine Wanderung der Achse einer Hantel „zweiter Ordnung“, bis diese parallel zur indifferenten Richtung steht.