Ferrohydrodynamic flows in uniform and non-uniform rotating magnetic fields

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 233-241).Ferrofluids are conventionally used in such DC magnetic field applications as rotary and exclusion seals, stepper motor dampers, and heat transfer fluids. Recent research demonstrates ferrofluid use in alternating and rotating magnetic fields for MEMS/NEMS application of microfluidic devices and bio-applications such as targeted drug delivery, enhanced Magnetic Resonance Imaging, and hypothermia. This thesis studies ferrofluid ferrohydrodynamics in uniform and non-uniform rotating magnetic fields through modeling and measurements of ferrofluid torque and spin-up flow profiles. To characterize the water-based and oil-based ferrofluids used in the experiments, measurements were made of the mass density, surface tension, viscosity, magnetization curve, nanoparticle size, and the speed of sound. Initial analysis for planar Couette and Poiseuille flows exploit DC magnetic field effects on flow and spin velocities with zero spin viscosity. Above critical values of magnetic field strength and flow velocity, multiple values of magnetic field, spin velocity, and effective magnetoviscosity result, indicating that zero spin viscosity may be non-physical. Torque and spin-up flow profile measurements show the effect of volume torque density and body force density in uniform and non-uniform rotating magnetic fields.(cont.) Ferrofluid "negative viscosity" measurements in uniform and non-uniform rotating magnetic fields occur when magnetic field induced flow creates torque that exceeds the torque necessary to drive a viscometer spindle. Numerical simulations of torque and spin-up flow in uniform and non-uniform rotating magnetic fields, including contribution from the spin velocity and spin viscosity terms, are fitted to measurements to estimate the value ranges of relaxation time r - 1.3-30 gs and spin viscosity n' - 1-11.8x109 Nos in waterbased ferrofluid. Based on the ferrohydrodynamic theory and models, theory of the complex magnetic susceptibility tensor is derived, which depends on spin velocity, that can be a key to external magnetic field control of ferrofluid biomedical applications. Preliminary impedance analysis and measurements investigate complex magnetic susceptibility change of ferrofluid in oscillating and rotating uniform magnetic fields and allow calculation of the resulting dissipated power or mechanical work in pumping fluid.by Xiaowei He.Ph.D

New magnetic stimulation routes with magnetic nanoparticles from process intensification in chemical engineering

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013.Les nanoparticules magnétiques (NPM) suscitent un vif intérêt dans plusieurs branches de l’ingénierie et de la recherche. En effet, la taille de ces dernières ainsi que leur propriétés magnétiques lorsqu’en suspension permettent leur manipulation à distance en utilisant des champs magnétiques externes appropriés. Cela ouvre la voie à l’activation de fonctionnalités supplémentaires lorsqu’ancrées à des catalyseurs métalliques, des enzymes ou des agents thérapeutiques. Conséquemment, les NPM ont été impliquées au sein de plusieurs applications dans lesquelles le mélange à l’échelle microscopique est une problématique importante, par exemple dans les réactions catalytiques, la séparation et l’administration de médicaments. Le présent travail de thèse explore l’utilisation de NPM en tant que dispositifs nanométriques pour manipuler le mélange à l’échelle microscopique lorsque le système complet est soumis à des champs magnétiques. Toutes les expérimentations ont été menées à l’intérieur d’un électro-aimant à bobines tubulaire statique possédant deux pôles et trois phases. Ce dernier génère des champs magnétiques rotatifs uniformes (CMR), des champs magnétiques oscillatoires (CMO) ainsi que des champs magnétiques stationnaires (CMS). En premier lieu, une technique de mélange dans laquelle un CMR transforme des NPM en agitateurs nanométriques créant de petits tourbillons dans la phase liquide est présentée. L’utilisation de cette technique permet l’augmentation du coefficient de diffusion de l’eau quiescente dans une cellule de diffusion statique jusqu’à 200 fois. Les études systématiques des paramètres d’opération révèlent que l’ampleur de l’augmentation dépend de la fraction volumique en NPM ainsi que de la force et de la fréquence du champ magnétique. En second lieu, un écoulement convectif est utilisé afin de comprendre l’effet du couple hydrodynamique sur le comportement des NPM en champs magnétiques. Des tests de distribution de temps de séjour par impulsion sont effectués avec et sans champ magnétique dans le but d’examiner la dispersion axiale d’un écoulement laminaire de Poiseuille à l’intérieur d’un tube capillaire (Tests de dispersion de Taylor). Les résultats obtenus démontrent que le mélange latéral au long du tube est favorisé en présence de NPM et d’un champ magnétique. De plus, l’effet hydrodynamique observé de ce mélange latéral sur le profil de vitesse laminaire est interprété comme provenant d’une approche d’un profil de vitesse plat similaire à celui d’un écoulement piston. À l’aide de la même technique, l’effet des CMO et des CMS sur la dispersion de Taylor et sur le profil de vitesse laminaire est aussi examiné en écoulement capillaire. Alors que les CMO n’induisent pas de mélange nano-convectif dans le capillaire et ont un impact négligeable sur la dispersion axiale, les CMS pour leur part, détériorent le mélange latéral du traceur et créent des profils de vitesse déviant de la forme parabolique vers une forme plus saillie. Une discussion détaillée de la vorticité du fluide en fonction de l’orientation du champ magnétique est aussi présentée. Finalement, un écoulement multiphasique est étudié en ciblant le transfert de matière gaz-liquide entre des bulles de Taylor d’oxygène et la phase liquide, composée d’une solution diluée de NPM, à l’intérieur de tubes capillaires soumis à des CMR, des CMO et des CMS. Les résultats indiquent que les NPM qui tournent sous l’action d’un CMR améliorent le mélange dans le film lubrificateur qui entoure les bulles de Taylor comme cela est révélé par une augmentation mesurable du kLa. À l’opposé, les CMS immobilisent les NPM, menant à des taux de transfert de matière systématiquement plus faibles alors que les CMO n’ont pas d’effet détectable sur le coefficient de transfert de matière. Par ailleurs, l’interaction entre le couple magnétique et le couple hydrodynamique nécessaire pour dominer la direction de rotation des NPM est tirée de ces résultats.Magnetic nanoparticles (MNPs) have attracted significant interest in diverse areas of engineering and research. Particle size and magnetic properties of suspended MNPs in a suspension allow their manipulation at a distance using appropriate external magnetic fields. In particular by enabling additional functionality in forms anchored to metal catalysts, enzymes or therapeutic drug agents. Owing to this feature, MNPs have been involved in many applications where mixing in micro-scale is also a critical issue, e.g., catalytic reaction, separation and drug delivery. This thesis explores MNPs as nano-scale devices to manipulate mixing in micro-scale when the whole system is subject to magnetic fields. All the experiments were performed in tubular two-pole, three-phase stator winding magnet, generating uniform rotating magnetic field (RMF), oscillating magnetic field (OMF) and stationary magnetic field (SMF). Initially, we present a mixing technique in which a RMF converts MNPs into nano-stirrers generating small vortices in liquid phase. Using this technique, self-diffusion coefficient of motionless water in a static diffusion cell was intensified up to 200 folds. Systematic studies of operating parameters revealed that the extent of enhancement depends on MNP volume fraction, and strength and frequency in magnetic field. In order to understand the effect of hydrodynamic torque on the MNPs behavior under magnetic fields, convective flow was also included. As such, axial dispersion of pressure-driven laminar Poiseuille flows in a capillary tube (Taylor dispersion test) was examined through a series of impulse (residence time distribution) RTD tests with and without RMF. This resulted in lateral mixing along the channel that was promoted relative to that in absence of MNPs or magnetic field. Moreover, we interpreted the observed hydrodynamic effects of such lateral mixing on laminar velocity profile as resulting from an approach to plug flow-like flat velocity profile. Using the same technique, the effect of OMF and SMF on Taylor dispersion and laminar velocity profile was examined in capillary flows. OMF did not induce nano-convective mixing in the capillary and had negligible impact on axial dispersion. On the contrary, SMF deteriorated lateral mixing of solute tracer and led to velocity profiles deviating from parabolic shape towards more protruded ones. A detailed discussion of magnetic field orientation versus fluid vorticity vector was presented. Finally a multiphase flow case concerned gas-liquid mass transfer from oxygen Taylor bubbles to the liquid in capillaries which was studied using dilute concentration of MNPs as the liquid phase under RMF, OMF and SMF. Experimental results implied that spinning MNPs under RMF improved mixing in the lubricating film that surrounds Taylor bubbles which reflected in a measurable enhancement of kLa. On the contrary, SMF pinned MNPs leading to systematically degraded gas-liquid mass transfer rates whereas axial oscillating magnetic field had no detectable effects on the mass transfer coefficient. Moreover, interaction between magnetic torque and hydrodynamic torque to dominate MNP spin direction was conceived from these results

Magnetic field stimulation of magnetic nanoparticles for the intensification of scalar transport

Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM.Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM.. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.The solution of advection-diffusion equation coupled to FHD equations of motion predicted weak contribution of advection in the observed phenomenon. The numerical simulations showed that the reduced axial dispersion is the outcome of anomalous anisotropic effective diffusivity in ferrofluid exposed to external uniform RMF. In chapter three, the identified mass transport properties of ferrofluid were further examined for (micro)-mixing applications in reaction engineering. A comparative study was conducted to evaluate the mixing efficiency between magnetic and non-magnetic fluids in a cylindrical capillary T-type mixer subjected to static (SMF), oscillating (OMF) and rotating magnetic fields. By using a probe reaction set (the Villermaux-Dushman reaction) with sensitive selectivity to mass transfer rate, mixing at molecular level was also investigated. The results showed substantial elimination of mass transfer rate influence on product distribution of chemical reactions when the mixing process is intensified with RMF. In chapter four, we extend the concept of mixing by MNP/RMF to ferrogels, prepared by seeding hard-dipole cobalt-ferrite MNP in polyacrylamide hydrogels. Quantitative analysis of magnetization data indicated the existence of hydrodynamically free MNPs, susceptible to Brownian relaxation along with mechanically blocked ones. A ferrogel consisting of hydrodynamically free MNP exhibits effective diffusivities higher than the intrinsic molecular diffusion of passive solute within the ferrogel structure. The experimental and theoretical findings in this thesis may open the way for application of magnetic field-stimulated MNP/ferrofluid for design and development of microfluidic systems and multifunctional magnetic materials with remote-controllable transport properties.In this PhD thesis, the transport of scalars in ferrofluids/ferrogels is theoretically and experimentally studied. The major interest is to experimentally quantify mass transport process in ferrofluids/ferrogels exposed to external magnetic fields and also to understand the mechanisms underlying the observed enhanced mass transport processes through ferrohydrodynamic (FHD) simulations. We also aim at utilizing the identified enhanced transport phenomena in ferrofluids for reaction engineering applications through experimental studies on mixing/micromixing in microchannels. The introduction presents the basic principles and fundamentals of ferrofluid and magnetic nanoparticles (MNP) dynamics from fluid mechanics and colloidal physics perspectives. The framework of ferrohydrodynamics (FHD), encompassing the ferrofluid equations of motion in connection with magnetic relaxation is explained. The recent literature relevant to the subject of scalar transport and mixing in ferrofluids is reviewed and the mechanisms of rate intensification of mass transport in ferrofluid subjected to various types of magnetic fields are discussed. The first chapter reports experimental observations and numerical simulations on the transport of scalars in quiescent Brownian ferrofluids under rotating magnetic field (RMF). The mass transport experiments were conducted in a cylindrical capillary T-mixer in presence/absence of transverse uniform RMF. Significant enhancement in mass transport was observed in presence of RMF in a direction normal to rotation axis of magnetic field. RMF directional control of mass flux enhancement was anisotropic since the molecular diffusion was the only detected transport mechanism in a direction parallel to the capillary axis. The significance of RMF driven ferrofluid advection (spin-up flow) in mass transport enhancement was examined in the light of the solution of advection-diffusion equation and subsequent comparison of numerical predictions with experimental results. Systematic analysis of numerical simulations compared to experimental observations unveiled that the effective diffusivity in ferrofluid consists of a diagonal tensor whose components are a function of RMF frequency and MNP concentration. In the second chapter, we exploited the concept of anisotropic anomalous effective diffusion in ferrofluids to explain the experimentally observed variations of axial dispersion in ferrofluid capillary Poiseuille flow in presence of external RMF. The experimental results showed that residence time distribution (RTD) in presence of RMF is more symmetric with retarded breakthrough time when frequency of RMF and magnetic nanoparticles (MNP) concentration are increased

Velocity Profile of a Ferrofluid in the Presence of Rotating Magnetic Fields. Pseudo-Analytical and Numerical Solutions.

From the beginning of ferro-hydrodynamics, several authors have proposed analytical models to describe the movement offerrofluids in the presence of rotating external magnetic fields. To this effect they have made valid simplifications in certain and very restrictedphysical situations. In this work we analyze the effects of these approaches against numerical solutions that do not make use of them. A sampleof ferrofluid immersed in containers with three types of geometries was considered: one of flat and parallel plates, one cylindrical and anothercoaxial cylindrical. Velocity profiles were obtained by these two strategies. The analytical solution leads to a linear model with severalsimplifications, while the second, numerical in nature, generates a non-linear model, but without approximations. The simulation results showedthat the simplifications made in the analytical strategy generate profiles that are valid only for magnetic field intensities lower than the respectiveferrofluid saturation values. Additionally, and given the level of development of analytical modeling, it was found that the numerical solutionis currently the most appropriate to evaluate the ferro-hydrodynamic model, since it does not have restrictions related to the intensity of themagnetic field. In the same way, it allows to evidence the phenomenon of saturation in the velocity profiles by increasing the intensity of themagnetic field, a situation observed experimentally, and unpredictable by means of these currently available pseudo-analytical solution

Ferrofluid spin-up flows from uniform and non-uniform rotating magnetic fields

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2010.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references.When ferrofluid in a cylindrical container is subjected to a rotating azimuthally directed magnetic field, the fluid "spins up" into an almost rigid-body rotation where ferrofluid nanoparticles have both a linear and an angular "spin" velocity. Flow observations are often limited to the ferrofluid free surface due to the opaque nature of the ferrofluid and the surface flow can spin-up in the same or opposite directions to the direction of the rotating field. The mechanisms governing this flow have been attributed to surface driven flows that depend on the shape of the meniscus formed by the free surface. However, bulk flow experiments using ultrasound velocimetry show that even in the presence of a stationary cover, bulk ferrofluid flows would result when a rotating magnetic field was applied. The mechanisms explaining the bulk flows have been attributed by some authors to being a result of spin diffusion theory while others believe that non-uniform magnetic properties drive the flow, with both theories being rigorously explored in this thesis. This thesis applies ferrohydrodynamic analysis to extended fluid flow equations driven by magnetization forces and torques on the ferrofluid, Maxwell's equations relating magnetization, magnetic field and ferrofluid flow, and a Langevin magnetization relaxation constitutive law including the effects of fluid linear and spin velocities. Some key concepts investigated in this analysis are: (1) Ferrofluid filled cylindrical vessels of finite height placed within a uniform magnetic field result in non-uniform magnetic fields inside the ferrofluid due to demagnetization effects that can drive the flow; (2) A spherical vessel of ferrofluid in a uniform magnetic field has a resulting uniform magnetic field unless there is a spatial variation of magnetic properties, induced in this thesis by an external source of non-uniform magnetic field from a current carrying coil or a permanent magnet; and (3) COMSOL Multiphysics spin-diffusion modeling shows that spin viscosity can also initiate a flow due to spin-velocity boundary conditions which can hinder magnetic nanoparticle rotation near a wall or allow particles to roll along a wall due to flow vorticity. Ferrofluid spin-up flows were investigated that take into account demagnetizing effects associated with the shape of the container. The experiments conducted in this thesis involve using a sphere of ferrofluid in a uniform rotating field since a sphere has uniform and equal demagnetizing factors in all three Cartesian directions. The uniform rotating magnetic field is generated by two orthogonally placed spherical coils, known as "fluxballs" that generate a uniform magnetic field in the horizontal and vertical directions inside the fluxballs and a dipole field outside. By driving the coils with sinusoidal signals that are out of phase in time by 90 degrees a uniform rotating field is generated inside the test chamber containing the sphere of ferrofluid. The test sphere of ferrofluid is placed at the center of the larger surrounding "fluxball" machine. Negligible flows are measured within the ferrofluid filled sphere using ultrasound velocimetry in the "fluxball" machine with a uniform rotating magnetic field. COMSOL simulations using non-zero values of spin-viscosity, with a zero spin-velocity boundary condition at the outer wall, predict measurable flow while simulations setting spin-viscosity to zero result in negligible flow. Previously published values of spin-viscosity measured in cylindrical vessels are much larger than values allowed by kinetic theory because the flows, from which they were determined, are actually due to the demagnetizing field effects and not due to spin-diffusion. Experiments were also performed by partially filling the test sphere with ferrofluid but only 2/3 full, resulting in significant flows due to non-uniform magnetic fields from spatially dependent demagnetizing factors and possibly free surface effects. Ultrasound velocimetry measurements were also performed with a small permanent magnet or a DC/AC excited small coil on top of the ferrofluid filled test sphere, causing a nonuniform DC or AC magnetic field within the ferrofluid filled test sphere in addition to the uniform rotating magnetic field imposed by the fluxball coils. With an imposed non-uniform magnetic field component from magnet or coil, complex measurable flows with strong vortices are obtained. Formation of vortices is also confirmed in COMSOL simulations of an infinitely long cylinder subjected to a uniform rotating field and the field from an infinitely long permanent magnet. These measurements demonstrate that a non-uniform magnetic field or a non-uniform distribution of magnetic properties drive the flow. The spin-up ferrofluid flow in a rotating uniform externally applied field is highly dependent on the shape of the container due to demagnetizing effects. These demagnetizing effects in a finite-height ferrofluid filled cylindrical container create a non-uniform field inside the ferrofluid that drives the flow and is the cause for previously observed flows in the classic cylindrical spin-up flow experiments. COMSOL Multiphysics simulations applied to a cylinder of infinite height filled with ferrofluid show that spin-diffusion theory cannot be the dominant mechanism for spin-up flows as fitting the COMSOL analysis to measurements result in unphysically large values of spin viscosity. The unphysically large values of spin viscosity are obtained by attributing spin-up flow to be due to spin-diffusion alone rather than the correct non-uniform magnetic field effects. In conclusion, this thesis, through experimental results and numerical simulations, proves that non-uniform magnetic properties within the ferrofluid and not spin-diffusion theory is the driving mechanism for the measured flow.by Shahriar Rohinton Khushrushahi.Ph.D

Transition to turbulence in Taylor-Couette ferrofluidic flow

Y.D. was supported by Basic Science Research Program of the Ministry of Education, Science and Technology under Grant No. NRF-2013R1A1A2010067. Y.C.L. was supported by AFOSR under Grant No. FA9550-12-1-0095.Peer reviewedPublisher PD

Interaction of Magnetic Fields on Ferrofluidic Taylor-Couette Flow

When studying ferrofluidic flows, as one example of magnetic flow dynamics, in terms of instability, bifurcation, and properties, one quickly finds out the additional challenges magnetic fluids introduce compared to the investigation of “classical”, “ordinary” shear flows without any kind of particles. Approximation of ferrofluids as fluids including point-size particles or, more realistic fine size particles, the relaxation times of the magnetic particle, their interaction between each other, i.e., the agglomeration and chain forming effects, and the interaction/response between any external applied field and the internal magnetization are just few examples of challenges to overcome. Further dependence on the considered model system, the direction of the external applied magnetic field (homogeneous or inhomogeneous) is crucial, as it can break the system symmetry and thus generate new solutions. As a result, the classical Navier–Stokes equations become modified to the more complex ferrohydrodynamical equation of motion, incorporating magnetic field and magnetization of the fluid itself, which typically makes numerical simulations expensive and challenging. This chapter provides an overview of the tasks/difficulties from describing and simulating magnetic particles, their interaction, and thus finally resulting modification in rotating flow structures and in particular instabilities and bifurcation behavior

Ferrofluid flow phenomena

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2003.Includes bibliographical references (leaves 155-158).This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.An investigation of ferrofluid experiments and analysis is presented in three parts: a characterization of ferrofluid properties, a study of ferrofluid flow in tubing and channel systems, and a study of ferrofluid free surface sheet flows. The characterization of ferrofluid samples is completed through analysis of magnetization curves measured with a vibrating sample magnetometer. Determination is made of the ferrofluid particle size range, saturation magnetization, low-field magnetic permeability, and magnetic volume fraction. The experimental results are well described by the Langevin theory of paramagnetism. A detailed discussion of the demagnetization factor within the ferrofluid sample is also included. Ferrofluid flow through circular tubing in a laminar regime is examined as a function of the applied magnetic field magnitude, direction, and frequency. Gradients within the applied magnetic field create a magnetic contribution to the pressure drop across a length of tubing. Experiments of ferrofluid flow through a rectangular channel with a free surface when driven by a rotating spatially uniform magnetic field exhibit an anti-symmetric flow profile across the channel width, with a net zero flow rate, consistent with theoretical work of previous research. The first known investigation of ferrofluid free surface sheet flows resulting from a ferrofluid jet impacting a small circular plate is presented. Two distinct magnetic field orientations relative to the incident jet and resulting sheet are examined, producing markedly different results. A magnetic field oriented perpendicular to the jet flow is found to deform the jet cross-section from circular toward an elliptical shape thereby causing the sheet to also change from circular to elliptical, but with the long axis of the sheet oriented perpendicularly to the long axis of the jet cross-section. In the case of a magnetic field applied everywhere perpendicular to the sheet flow a significant decrease in sheet radius is observed. The cause of the decrease in sheet radius is a magnetic field induced decrease in ferrofluid pressure as well as a magnetic field enhanced convective Kelvin-Helmholtz instability. A thorough theoretical development describes the observed phenomena.by Thomas A. Franklin.S.M