Abstract We study the sedimentation of finite-size particles in quiescent wall-bounded Newtonian and shear-thinning fluids by interface resolved numerical simulations. The suspended phase consists of Non-Brownian rigid spherical particles with particle to fluid density ratio ρ p / ρ f = 1.5 at three different solid volume fractions Φ = 1 % , 5% and 20%. Firstly, to focus on the effect of shear-thinning on the particle dynamics and interactions, the Archimedes number is increased for a single particle to have the same settling speed in the Newtonian fluid as in the shear-thinning fluid. Secondly, we consider fixed Archimedes and vary the shear-thinning properties of the fluid. Overall, we report a twofold effect of shear thinning. First and more important, the substantial increase of the particle sedimentation velocity in the shear-thinning case due to the increase of the shear rate around the particles, which reduces the local viscosity leading to a reduced particle drag. Secondly, the shear-thinning fluid reduces the level of particle interactions, causing a reduction of velocity fluctuations and resulting in particles sedimenting at approximately the same speed. Moreover, the mean settling velocities decrease with the particle concentration as a consequence of the hindering effect. Particles tend to sediment in the middle of the channel, preferentially positioning in the wake of neighbouring particles or aside them, resulting in lower levels of fluid velocity fluctuations in the gravity direction in the shear-thinning fluid.

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静态壁界剪切稀化和牛顿流体中有限尺寸颗粒的沉积

摘要 我们通过界面分辨数值模拟研究了有限尺寸粒子在静态壁界牛顿流体和剪切稀化流体中的沉降。悬浮相由非布朗刚性球形颗粒组成，颗粒与流体的密度比为 ρ p / ρ f = 1.5，三种不同的固体体积分数 Φ = 1 % 、5% 和 20%。首先，为了关注剪切稀化对粒子动力学和相互作用的影响，为了使单个粒子在牛顿流体中具有与在剪切稀化流体中相同的沉降速度，阿基米德数增加。其次，我们考虑固定的阿基米德并改变流体的剪切稀化特性。总的来说，我们报告了剪切稀化的双重影响。首先也是更重要的，由于颗粒周围剪切速率的增加，在剪切稀化情况下颗粒沉降速度的显着增加，这降低了局部粘度，从而降低了颗粒阻力。其次，剪切稀化流体降低了粒子相互作用的水平，从而降低了速度波动并导致粒子以大致相同的速度沉降。此外，作为阻碍效应的结果，平均沉降速度随着颗粒浓度而降低。颗粒倾向于沉积在通道的中间，优先定位在相邻颗粒的尾流或旁边，导致剪切稀化流体中重力方向的流体速度波动水平较低。这降低了局部粘度，从而降低了颗粒阻力。其次，剪切稀化流体降低了粒子相互作用的水平，从而降低了速度波动并导致粒子以大致相同的速度沉降。此外，作为阻碍效应的结果，平均沉降速度随着颗粒浓度而降低。颗粒倾向于沉积在通道的中间，优先定位在相邻颗粒的尾流或旁边，导致剪切稀化流体中重力方向的流体速度波动水平较低。这降低了局部粘度，从而降低了颗粒阻力。其次，剪切稀化流体降低了粒子相互作用的水平，从而降低了速度波动并导致粒子以大致相同的速度沉降。此外，作为阻碍效应的结果，平均沉降速度随着颗粒浓度而降低。颗粒倾向于沉积在通道的中间，优先定位在相邻颗粒的尾流或旁边，导致剪切稀化流体中重力方向的流体速度波动水平较低。导致速度波动的减少并导致颗粒以大致相同的速度沉降。此外，作为阻碍效应的结果，平均沉降速度随着颗粒浓度而降低。颗粒倾向于沉积在通道的中间，优先定位在相邻颗粒的尾流或旁边，导致剪切稀化流体中重力方向的流体速度波动水平较低。导致速度波动的减少并导致颗粒以大致相同的速度沉降。此外，作为阻碍效应的结果，平均沉降速度随着颗粒浓度而降低。颗粒倾向于沉积在通道的中间，优先定位在相邻颗粒的尾流或旁边，导致剪切稀化流体中重力方向的流体速度波动水平较低。