Simulations of Elastic Particles in Viscous Fluid Flows

时间:2014-10-28浏览:38

Simulations of Elastic Particles in Viscous Fluid Flows, 
and Magnetically Tuned Porous Electrode Formation in 
Electrochemical Flow Capacitor 

Howard H. Hu 

Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics 
University of Pennsylvania 
 
时间:10月21日(周二)下午3:30 ~ 5:00 
地点:力学一楼239会议室 
 
Abstract: 
In this presentation, I will discuss two different topics as the 
title has suggested. In the first topic, I will present a 
monolithic finite element solver for fluid-structure interactions to 
simulate dynamics of elastic objects in viscous fluids. The 
particles are assumed to be neutrally buoyant 
and composed of neo-Hookean material with constant shear modulus. 
I will also introduce a polarization technique to establish a 
theory described by a set of coupled nonlinear, first-order ODEs 
for the finite-strain, time-dependent response of an ellipsoidal 
elastic particle in shear and uniaxial extensional flows under 
Stokes flow conditions. In shear flow, we identified three types 
of particle motion: tank-treading (TT), trembling (TR) and 
tumbling (TU) as the functions of the particle elastic shear 
modulus, its initial shape, and the flow shear rate. In an 
extensional flow, an initially ellipsoidal (elliptical) elastic 
particle simultaneously stretches and rotates, tending to deform 
into a stable, ellipsoidal shape with the initial major axis 
aligned with the extension direction. However, steady-state 
solutions may not exist when the particle stiffness is lower than 
a certain critical value. Finally, I will describe a new 
application of our monolithic solver to simulate the free 
swimming of caenorhabditis-elegans in a viscous fluid. 

In the second topic, I will describe an electrochemical flow 
capacitor (EFC), where high surface area, conducting, 
magnetizable porous particles suspended in an electrolyte 
solution flow from one storage tank to another through a 
charging/discharging device between collecting electrodes 
(collector). In the collector, the particles quickly aggregate 
to form percolated, electrically conducting networks that 
facilitate electron flow. To achieve a highly conductive and 
rapidly assembling network, a high concentration suspension is 
needed. To facilitate easy pumping, a low concentration 
suspension is desired. To speed up the network formation 
process and overcome these conflicting requirements, we use 
magnetizable colloids. The particles will acquire a magnetic 
moment in the presence of an external magnetic field. The 
magnetic moment will reversibly disappear as soon as the 
magnetic field is removed. The magnetic field will be applied 
during the charge and discharge phases to accelerate the 
formation of electrically connected networks when desired and 
will be removed when it is time to flow the slurry and refresh 
the contents in the collector. I will discuss our study of the 
network assembly process, and the estimate for the network 
connectivity and electric properties. 

 
About the speaker: 
Prof. Hu received his Ph.D. degree in Aerospace Engineering, 
University of Minnesota, in 1992. He joined University of 
Pennsylvania as an assistant professor in 1992 and became a 
professor in 2009. His research focus is on modeling complex 
flows involving multiphase and polymeric fluids, particularly 
flows with solid particles, liquid drops, and gas bubbles. His 
group has been developing numerical techniques for simulating 
motions of large numbers of particles in those multiphase 
systems. They are engaged in understanding and controlling the 
particulate flows in various microfluidic applications through 
electrophoresis and dielectrophoresis. He has published 
more than 80 papers in journals and proceedings, including J. 
Fluid Mech., J. Comput. Phys., Phys. Rev. Lett., etc. He was 
elected as the Fellow of American Society of Mechanical 
Engineering (2009) and the Fellow of American Physical Society 
(2011).