Progress on the Strong Eshelby's Conjecture and Extremal Structures for the Elastic Moment Tensor

We make progress towards proving the strong Eshelby's conjecture in three dimensions. We prove that if for a single nonzero uniform loading the strain inside inclusion is constant and further the eigenvalues of this strain are either all the same or all distinct, then the inclusion must be of ellipsoidal shape. As a consequence, we show that for two linearly independent loadings the strains inside the inclusions are uniform, then the inclusion must be of ellipsoidal shape. We then use this result to address a problem of determining the shape of an inclusion when the elastic moment tensor (elastic polarizability tensor) is extremal. We show that the shape of inclusions, for which the lower Hashin-Shtrikman bound either on the bulk part or on the shear part of the elastic moment tensor is attained, is an ellipse in two dimensions and an ellipsoid in three dimensions

Corrector equations in fluid mechanics: Effective viscosity of colloidal suspensions

Consider a colloidal suspension of rigid particles in a steady Stokes flow. In a celebrated work, Einstein argued that in the regime of dilute particles the system behaves at leading order like a Stokes fluid with some explicit effective viscosity. In the present contribution, we rigorously define a notion of effective viscosity, regardless of the dilute regime assumption. More precisely, we establish a homogenization result when particles are distributed according to a given stationary and ergodic random point process. The main novelty is the introduction and analysis of suitable corrector equations.Comment: 30 page

On Einstein's effective viscosity formula

In his PhD thesis, Einstein derived an explicit first-order expansion for the effective viscosity of a Stokes fluid with a random suspension of small rigid particles at low density. This formal derivation is based on two assumptions: (i) there is a scale separation between the size of particles and the observation scale, and (ii) particles do not interact with one another at first order. While the first assumption was addressed in a companion work in terms of homogenization theory, the second one is reputedly more subtle due to the long-range character of hydrodynamic interactions. In the present contribution, we provide a rigorous justification of Einstein's first-order expansion at low density in the most general setting. This is pursued to higher orders in form of a cluster expansion, where the summation of hydrodynamic interactions crucially requires suitable renormalizations, and we justify in particular a celebrated result by Batchelor and Green on the next-order correction. In addition, we address the summability of the cluster expansion in two specific settings (random deletion and geometric dilation of a fixed point set). Our approach relies on an intricate combination of combinatorial arguments, PDE analysis, and probability theory.Comment: 78 page

Stress and strain amplification in non-Newtonian fluids filled with spherical and anisometric particles

A numerical study of dilute suspensions based on a non-Newtonian matrix fluid and rigid spheroidal particles is performed. A Carreau fluid describes the non-Newtonian matrix. The special case of rigid spherical particles is considered. Here, a uniaxial elongational flow around a sphere is simulated and numerical homogenization is used to obtain the bulk viscosity of the dilute suspension for different applied rates of deformation and different thinning exponents. In the Newtonian regime the well-known Einstein result for the viscosity of a dilute suspension of rigid spherical particles is obtained. In the power-law regime it is found that the intrinsic viscosity depends only on the thinning exponent. Utilizing the simulation results a modification of the Carreau model for dilute suspensions with a non-Newtonian matrix fluid is proposed. To investigate the influence of the particle shape another numerical study is performed. In particular, different flows around spheroidal particles with different orientations are simulated and numerical homogenization is used to obtain the intrinsic viscosity of the suspension as function of applied rate of deformation, thinning exponent and aspect ratio. From the results it is possible to extract the rheological coefficients of the Lipscomb model. In the Newtonian regime the simulation results coincide with Lipscomb’s predictions. In the power-law regime the rheological coefficients depend strongly on the thinning exponent. Furthermore, simulation results indicate that the rheological coefficients additionally depend on the particle orientation in the non-linear regime.Une étude numérique sur des suspensions diluées à base d’un fluide non newtonien et de particules sphéroïdales rigides est réalisée. Le comportement de la matrice est décrit par un fluide de type Carreau. De particules sphériques et rigides est considéré en premier. Un écoulement en élongation uniaxiale autour d’une sphère est simulée. Ensuite, l’homogénéisation numérique est utilisée pour déterminer la viscosité apparente de la suspension pour différents taux de déformation et d’indices pseudoplastiques. Dans le domaine newtonien, le résultat d’Einstein donnant la viscosité d’une suspension diluée de particules sphériques et rigides est obtenu. Dans le régime en loi de puissance on constate que la viscosité intrinsèque dépend uniquement de l’indice pseudoplastique. Une autre étude numérique est effectuée pour investiguer l’influence de la forme des particules. Plusieurs écoulements autour d’une particule sphéroïdale sont simulés pour différentes orientations. Une homogénéisation numérique est ensuite utilisée pour obtenir la viscosité intrinsèque de la suspension en fonction du taux de déformation appliqué, de l’indice d’écoulement et du rapport de forme de la particule. A partir de ces résultats, il est possible d’exprimer les coefficients rhéologiques du modèle de Lipscomb. Dans le régime newtonien, les résultats coïncident avec les prédictions de Lipscomb. Dans le domaine en loi de puissance, les coefficients rhéologiques deviennent fortement dépendent de l’indice pseudoplastique. En outre, les résultats des simulations montrent que ces coefficients rhéologiques dépendent également de l’orientation des particules dans le régime non linéaire.Numerische Untersuchung zu verdünnten Suspensionen basierend auf einer nicht Newtonschen Matrixflüssigkeit und harten spheroidalen Partikeln wurde durchgeführt. Ein Carreau Fluid beschreibt die nicht Newtonsche Matrix. Zuerst wird der Spezialfall harter Kugeln betrachtet. Hierzu wird eine uniaxiale Dehnströmung um eine Kugel simuliert und numerische Homogenisierung wird verwendet um die effektive Viskosität der Suspension für verschieden aufgebrachte Deformationsgeschwindigkeiten und Verdünnungsexponenten zu bestimmen. Im Newtonschen Bereich wird die bekannte Lösung Einsteins für die Viskosität einer verdünnten Suspension harter Kugeln erhalten. Im power-law Bereich ist die intrinsische Viskosität einzig eine Funktion des Verdünnungsexponenten. Unter Nutzung der Simulationsergebnisse wird eine Modifikation des Carreau Modells vorgeschlagen. Um den Einfluss der Partikelform auf die nichtlinearen Eigenschaften zu untersuchen wird eine weitere numerische Simulationen durchgeführt. Dabei werden verschiedene Strömungen um spheroidale Partikel mit unterschiedlicher Orientierung simuliert und numerische Homogenisierung wird verwendet um die intrinsische Viskosität als Funktion der aufgebrachten Deformationsgeschwindigkeit, des Verdünnungsexponenten und des Partikelaspektverhältnisses zu bestimmen. Es ist möglich die rheologischen Parameter des Lipscomb Modells aus den Simulationsergebnissen zu bestimmen. Im Newtonschen Bereich stimmen die numerisch bestimmten Werte mit der Vorhersage Lipscomb‘s überein. Im power-law Bereich hängen die rheologischen Parameter stark vom Verdünnungsexponenten ab. Weiter kann man aus den Ergebnissen auf eine zusätzliche Abhängigkeit der rheologischen Parameter von der Partikelorientierung schließen