Influence of the form of short-range repulsive interactions on final shape of internal structure in magneto-rheological fluids

• Autorzy: Barski M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ krótkozasięgowych oddziaływań odpychających na końcowy kształt struktury wewnętrznej dla płynów magneto-reologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presented paper is devoted to the task of computational simulation of ferromagnetic particles in magneto-rheological fluids. Under the action of an external magnetic field, ferromagnetic particles form a complex internal microstructure. This microstructure is generally parallel to the direction of the external magnetic field intensity vector. The main aim of this work is to investigate the influence of the short-range repulsion interactions between the particles on the final shape of the internal microstructure. This interaction is implemented in the simulation process in such a way that the moving particles do not overlap. In the adopted theoretical model, in addition to the effects of short-range repulsion interactions, magnetostatic and hydrodynamic interactions are also taken into account. It is worth stressing that the applied theoretical model is very simple, however, it enables estimation of the mentioned effect. It was assumed that all the ferromagnetic particles have a spherical shape with a constant radius. A series of two-dimensional numerical simulations is carried out based on the molecular dynamic algorithm. The short-range repulsive interactions are described by a polynomial and by an exponential function with various parameter values. It turned out that the final shape of the microstructure strongly depends on the applied form of short-range repulsion. It is possible to obtain single isolated strings of particles as well as complex structures known as particle clusters.

PL

Prezentowana praca poświęcona jest zagadnieniu komputerowej symulacji zachowania cząstek ferromagnetycznych w płynach magneto-reologicznych. Pod działaniem zewnętrznego pola magnetycznego wspomniane cząstki tworzą skomplikowaną mikrostrukturę wewnętrzną. Generalnie, mikrostruktura ta wykazuje uporządkowanie w kierunku równoległym do wektora natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Głównym celem pracy jest wykazanie wpływu krótkozasięgowego oddziaływania odpychającego cząstki na ostateczny kształt owej mikrostruktury. Oddziaływanie to jest wprowadzane w symulacji po to, aby pozycje cząstek nie nakładały się wzajemnie. W przyjętym modelu teoretycznym, oprócz oddziaływań krótkozasięgowych, uwzględniono jeszcze oddziaływania magnetostatyczne oraz hydrodynamiczne. Jest to możliwie najprostszy model cieczy magneto-reologicznej pozwalający jednakże zbadać wpływ analizowanego oddziaływania krótkozasięgowego. Założono, że wszystkie cząstki posiadają kształt sferyczny o identycznym promieniu. Przeprowadzono szereg symulacji dwuwymiarowych w oparciu o algorytm dynamiki molekularnej. Oddziaływanie krótkozasięgowe opisano za pomocą wielomianu oraz funkcji wykładniczej. W przypadku funkcji wykładniczej rozważano różne wartości parametrów. Po przeprowadzeniu symulacji uzyskano różne kształty mikrostruktury wewnętrznej, począwszy od pojedynczych izolowanych łańcuchów cząstek po stosunkowo skomplikowane struktury zwane klastrami cząstek.

Słowa kluczowe

EN

magneto-rheological fluids; ferromagnetic particles; computer simulation; molecular dynamics; short-range repulsive interactions; microstructure

PL

ciecze magnetoreologiczne; cząstki ferromagnetyczne; dynamika molekularna; krótkozasięgowe oddziaływania odpychające; mikrostruktura

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 1
• Strony: 30--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys.

Twórcy

autor

Barski M.

• Cracow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Machine Design, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Rabinow J., The magnetic fluid clutch, American Institute of Electrical Engineers Trans 1948, 67, 1308.
• [2] Sapiński B., Magnetorheological Dampers in Vibration Control, AGH University of Science and Technology Press, Cracow 2006.
• [3] Yang G., Spencer B.F., Carlson J.D., Sain M.K., Large scale MR fluid dampers: modeling and dynamic performance considerations, Engineering Structures 2002, 24, 309-323.
• [4] Li W.H., Du H., Design and experimental evaluation of a magnetorheological brake, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2003, 21, 508-515.
• [5] Li W.H., Du H., Guo N.Q., Finite element analysis and simulation evaluation of a magnetorheological valve, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2003, 21, 438-445.
• [6] Claracq J., Sarrazin J., Montfort J.-P., Viscoelastic properties of magnetorheological fluids, Rheologica Acta 2004, 43, 38-49.
• [7] Allen M.P., Introduction to Molecular Dynamic Simulation, Computational Soft Matter: Synthetic Polymers to Proteins, Lecture Notes, eds.N. Attig, K. Binder, H. Grubmüller, K. Kremer, John von Neumann Institute for Computing, Jülich, NIC Series 2004, 23.
• [8] Frenkel D., Introduction to Mote Carlo Methods, Computational Soft Matter: Synthetic Polymers to Proteins, Lecture Notes, eds. N. Attig, K. Binder, H. Grubmüller, K. Kremer, John von Neumann Institute for Computing, Jülich, NIC Series 2004, 23.
• [9] Chantrell R., Bradbury A., Popplewell J., Charles S., Particle cluster configuration in magnetic fluids, Journal of Physics D: Applied Physics 1980, 13, L119.
• [10] Satoh A., A new technique for metropolis Monte Carlo simulation to capture aggregate structure of fine particle: Cluster - moving Monte Carlo algorithm, Journal of Colloidal and Interface Science 1992, 150, 461-472.
• [11] Castro L.L., da Silva M.F., Bakuzis A.F., Miotto R., Aggregate formation on polydisperse ferro-fluids: A Monte Carlo analysis, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2005, 293, 553-558.
• [12] Satoh A., Three-dimensional Monte Carlo simulations of internal aggregate structures in a colloidal dispersion composed of rod-like particles with magnetic moment normal to the particle axis, Journal of Colloid and Interface Science 2008, 318, 68-81.
• [13] Klingenberg D., van Swol F., Zukoski C., Dynamic simulation of electrorheological suspensions, Journal of Chemical Physics 1989, 91, 7888-7895.
• [14] Parthasarathy M., Klingenberg D.J., Electrorheology: mechanisms and models, Materials Science and Engineering 1996, R17, 57-103.
• [15] Ly H.V., Reitich F., Jolly M.R., Ito K., Banks H.T., Simulations of particle dynamics in magnetorheological fluids, Journal of Computational Physics 1999, 155, 160-177.
• [16] Murashov V., Patey G., Structure formation in dipolar fluids driven by rotating fields, Journal of Chemical Physics 2000, 112, 9828-8933.
• [17] Martin J., Anderson R., Williamson R., Generating strange interactions in particle suspensions, Composites Science and Technology 2003, 63, 1097-1103.
• [18] Huang J.P., Wang Z.W., Holm C., Structure and magnetic properties of mono and bi-dispersed ferrofluids as revealed by simulations, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2005, 289, 234-237.
• [19] Li Qiang, Xuan Yi Min, Li Bin, Simulation and control scheme of microstructure in magnetic fluids, Science in China, Series E: Technological Sciences 2007, 50, 371-379.
• [20] Satoh A., Chantrell R.W., Kamiyama S., Coverdale G.N., Stokesian dynamic simulations of ferromagnetic colloidal dispersion in a simple shear flow, Journal of Colloid and Interface Science 1998, 203, 233-248.
• [21] Satoh A., Chantrell R.W., Kamiyama S., Coverdale G.N., Brownian dynamics simulations of ferromagnetic colloidal dispersions in a simple shear flow, Journal of Colloid and Interface Science 1999, 209, 44-59.
• [22] Pappas Y., Klingenberg D., Simulations of magnetorheological suspensions in Poiseuille flow, Rheologica Acta 2006, 45, 621-629.
• [23] Joung C.G., See H., Simulation of magneto-rheological fluids incorporating hydrodynamic effects, Journal of Central South University of Technology 2007, 14, 271-274.
• [24] Joung C.G., See H., The influence of wall interaction on dynamic particle modelling of magneto-rheological suspension between shearing plates, Rheologica Acta 2008, 47, 917-927.
• [25] Enomoto Y., Oba K., Okada M., Simulation study on microstructure formations in magnetic fluids, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 2003, 330, 496-506.
• [26] Holm C., Weis J.-J., The structure of ferrofluids: A status report, Current Opinion in Colloid & Interface Science 2005, 10, 133-140.
• [27] Lees A.W., Edwards S.F., The computer study of transport process under extreme conditions, Journal of Physics C: Solid State Physics 1972, 5, 1921.
• [28] Keaveny E., Maxey M., Modeling the magnetic interactions between paramagnetic beads in magnetorheological fluids, Journal of Computational Physics 2008, 227, 9554-9571.
• [29] Simon T.M., Reitich F., Jolly M.R., Ito K., Banks H.T., The Effective magnetic properties of magnetorheological fluids, Mathematical and Computer Modeling 2001, 33, 273-284.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).