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

Liquid Oxygen Magnetohydrodynamics

In the cryogenic realm, liquid oxygen (LOX) possesses a natural paramagnetic susceptibility and does not require a colloidal suspension of particles for practical application as a magnetic working fluid. Commercial ferrofluids have performed well in industrial applications, but expanding their workable range to low temperatures requires a suitable selection of the carrier fluid, such as LOX. In this chapter, the equation of motion for the pure fluid is derived and applied to a slug of LOX being displaced by a pulsed magnetic field. Its theoretical performance is compared to actual experimental data with discussion on empirical parameters, sensitivity to measurement uncertainty, and geometric similarity. The 1.1 T pulse of magnetic flux density produced oscillations in the slug of 6-8 Hz, generating up to 1.4 kPa of pressure change in a closed section when the slug acted like a liquid piston. The experiments and theoretical model demonstrate that LOX could be used as a magnetic working fluid in certain applications

Dinâmica de magnetização de não equilíbrio em ferrofluidos sujeitos a escoamentos quadráticos

Orientador: Rafael Gabler GontijoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Neste trabalho são realizadas simulações por Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) de um escoamento de Poiseuille plano de um ferrofluido sob a ação de um campo magnético uniforme aplicado. Uma metodologia numérica original para calcular campos magnéticos e hidrodinâmicos é proposta, incluindo uma discussão importante sobre uma região de entrada de magnetização identificada. Três modelos de magnetização diferentes são considerados para calcular o campo de magnetização. Esses modelos são implementados e validados por meio de diferentes abordagens, incluindo uma teoria assintótica desenvolvida neste manuscrito. As discrepâncias obtidas entre os resultados dados pelos diferentes modelos são fisicamente discutidas e interpretadas por meio das escalas de tempo do problema. Um intrincado equilíbrio entre diferentes mecanismos físicos é identificado e parece ser responsável por um comportamento difusivo do campo de magnetização. Esse equilíbrio é regido por uma competição entre a vorticidade do escoamento e os mecanismos de relaxação magnética, o que leva à proposição de um coeficiente difusivo de magnetização equivalente. Além disso, mostra-se que a combinação de três diferentes escalas de tempo rege a dinâmica do desequilíbrio da magnetização: a escala de tempo difusiva Browniana, uma hidrodinâmica (convectiva) e uma escala de tempo magnética controlável associada à intensidade do campo magnético aplicado. Os resultados obtidos indicam a possibilidade de se controlar o desenvolvimento do campo de magnetização do fluxo por meio do campo magnético aplicado, da distribuição do tamanho das partículas, da concentração do fluido e da vazão. Inúmeros resultados relativos ao escoamento totalmente desenvolvido também são apresentados, incluindo perfis de magnetização e ângulos entre o campo aplicado ???? e o campo de magnetização ????. Além disso, um perfil de magnetização contínua para o fluxo totalmente desenvolvido é reconstruído usando uma abordagem de dinâmica de Langevin discreta para as partículas magnéticas. As simulações dinâmicas discretas de Langevin de uma coleção de partículas interagindo magneticamente leva em consideração as interações de longo alcance às quais as partículas estão sujeitas. Assim, as partículas interagem magneticamente com um campo magnético externo aplicado e com elas mesmas através de seus momentos dipolares magnéticos, além de estarem sujeitas a flutuações Brownianas devido ao seu pequeno tamanho. Nesta metodologia, os valores de vorticidade local extraídos das simulações CFD são usados ??como entrada para as simulações numéricas discretas, que consideram uma suspensão coloidal submetida a um escoamento Couette local. Supõe-se que os momentos dipolares das partículas magnéticas são fixos a si mesmas, o que significa que giram ao longo da velocidade angular da partícula sem atraso. Para tanto, a rotação de partículas, promovida tanto por torques Brownianos quanto magnéticos, também é explorada nas simulações discretas, uma vez que a resposta de magnetização da suspensão está estritamente relacionada ao movimento rotacional das partículas. As equações que governam o movimento de partículas magnéticas suspensas em um fluido viscoso são resolvidas por simulações numéricas diretas em diferentes cenários físicos. Em geral, uma concordância muito boa entre os perfis de magnetização contínua e discreta foi obtidaAbstract: In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of a ferrofluid plane Poiseuille flow under the action of a uniform applied magnetic field are performed. An original numerical methodology to compute magnetic and hydrodynamic fields is proposed, including an important discussion regarding an identified magnetization entrance region. Three different magnetization models are considered in order to compute the magnetization field. These models are implemented and validated through different approaches, including an asymptotic theory developed in this manuscript. The obtained discrepancies between the results given by the different models are physically discussed and interpreted by means of the problem¿s timescales. An intricate balance between different physical mechanisms is identified and it seems to be responsible for a diffusive-like behavior of the magnetization field. This balance is ruled by a competition between the flow¿s vorticity and magnetic relaxation mechanisms, which leads to the proposition of an equivalent diffusive coefficient of magnetization. In addition, it is shown that the combination of three different timescales rules magnetization non-equilibrium dynamics: the Brownian diffusive timescale, a (convective) hydrodynamic and a controllable magnetic timescale associated with the intensity of the applied magnetic field. The obtained results indicate towards the possibility of ontrolling the development of the flow¿s magnetization field by means of the applied magnetic field, size distribution of the particles, concentration of the fluid and flow rate. Numerous results regarding the fully developed flow are also presented, including magnetization profiles and angles between the applied field ???? and the magnetization field ????. In addition, a continuous magnetization profile for the fully developed flow is reconstructed by using a discrete Langevin dynamics approach for the agnetic particles. The discrete Langevin dynamics simulations of a collection of magnetically interacting particles takes into consideration long-range interactions to which the particles are subjected to. Hence, the particles interact magnetically with an external applied magnetic field and with themselves through their magnetic dipole moments, besides being subjected to Brownian fluctuations due to their small size. In this methodology, local vorticity values extracted from the CFD simulations are used as an input for the discrete numerical simulations, which consider a colloidal suspension subjected to a local Couette flow. It is assumed that the dipole moments of the magnetic particles are fixed to themselves, meaning they rotate along the particle¿s angular velocity without delay. For this purpose, particle rotation, promoted both by Brownian and magnetic torques, is also explored in the discrete simulations, since the suspension¿s magnetization response is strictly related to the particles¿ rotational movement. The equations governing the motion of magnetic particles suspended in a viscous fluid are solved by direct numerical simulations under different physical scenarios. In general, a very good agreement between the continuous and discrete magnetization profiles was obtainedMestradoTérmica e FluídosMestre em Engenharia Mecânica0012017/05643-8301467/2017-0CAPESFAPESPCNP

Project JOVE

The goal of this project is to investigate new areas of research pertaining to free surface-interface fluids mechanics and/or microgravity which have potential commercial applications. This paper presents an introduction to ferrohydrodynamics (FHD), and discusses some applications. Also, computational methods for solving free surface flow problems are presented in detail. Both have diverse applications in industry and in microgravity fluids applications. Three different modeling schemes for FHD flows are addressed and the governing equations, including Maxwell's equations, are introduced. In the area of computational modeling of free surface flows, both Eulerian and Lagrangian schemes are discussed. The state of the art in computational methods applied to free surface flows is elucidated. In particular, adaptive grids and re-zoning methods are discussed. Additional research results are addressed and copies of the publications produced under the JOVE Project are included

Levitation of non-magnetizable droplet inside ferrofluid

The central theme of this work is that a stable levitation of a denser non-magnetizable liquid droplet, against gravity, inside a relatively lighter ferrofluid -- a system barely considered in ferrohydrodynamics -- is possible, and exhibits unique interfacial features; the stability of the levitation trajectory, however, is subject to an appropriate magnetic field modulation. We explore the shapes and the temporal dynamics of a plane non-magnetizable droplet levitating inside ferrofluid against gravity due to a spatially complex, but systematically generated, magnetic field in two dimensions. The effect of the viscosity ratio, the stability of the levitation path and the possibility of existence of multiple-stable equilibrium states is investigated. We find, for certain conditions on the viscosity ratio, that there can be developments of cusps and singularities at the droplet surface; this phenomenon we also observe experimentally and compared with the simulations. Our simulations closely replicate the singular projection on the surface of the levitating droplet. Finally, we present an dynamical model for the vertical trajectory of the droplet. This model reveals a condition for the onset of levitation and the relation for the equilibrium levitation height. The linearization of the model around the steady state captures that the nature of the equilibrium point goes under a transition from being a spiral to a node depending upon the control parameters, which essentially means that the temporal route to the equilibrium can be either monotonic or undulating. The analytical model for the droplet trajectory is in close agreement with the detailed simulations. (See draft for full abstract).Comment: This article has been published in a revised form in Journal of Fluid Mechanics http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2018.733. Copyright: copyright holde

Thin-Film Ferrofluidics

We study dynamics of ferrofluids in thin-film configurations. We first spend a considerable amount of time deriving a basic model to describe the flow in a limiting case. We then investigate the magnetization in the fluid, formulate a differential equation governing the curvature of the boundary, then finally study a pressure Poisson equation with a moving boundary

Pattern Formation and Stability in Magnetic Colloids

This book presents a selection of works on pattern formation and stability of magnetic colloids. Magnetic liquids can be investigated in different scenarios. Geometry (quasi 1, 2 and 3 dimensional vessels ), scales (molecules, macroscopic particles) and the type of suspension (e.g., ferromagnetic, superparamagnetic) employed in experiments completely modify the aggregation process. The observed patterns in the fluid range from surface waves to bulk chains and bundles. The approaches presented in this book use standard statistical means such as the Gibbs free energy and chemical potential. Numerical works are implemented employing methods such as Monte Carlo or Langevin dynamics simulations. Kinetic theory is used in theoretical approaches being successfully applied to algorithms such as the Lattice-Boltzmann method