@misc{10481/96690,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/96690},
abstract = {En este trabajo se propone ampliar el abanico de técnicas experimentales disponibles para
el estudio de suspensiones de partículas magnéticas y en concreto de fluidos
magnetorreológicos (FMR). Por ello, en primer lugar, se introducen conceptos relativos
a la reología y el magnetismo, los cuales serán necesarios para definir las especificaciones
de nuestro método y finalmente comprobar su correcto funcionamiento. Por esta razón es
indispensable entender cómo se caracterizan los fluidos, cómo se clasifican, qué modelos
matemáticos explican su comportamiento y cómo se miden las propiedades reológicas de
estos materiales. De la misma forma también es necesario conocer los mecanismos físicos
que intervienen en la dinámica de estas suspensiones coloidales, por lo que también se
hablará de conceptos como la magnetización, el momento magnético inducido sobre una
partícula y la fuerza dipolar magnética. Además, cuando se combinan las ecuaciones de
la reología y el magnetismo se pueden definir parámetros como el número de Mason, que
nos permite relacionar la fuerza hidrodinámica con la fuerza magnética de forma
compacta. Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos realizados en los últimos años por
entender el comportamiento de los FMR, actualmente existe una limitación en los
métodos experimentales para su estudio. Esto se debe a que la mayoría de las
investigaciones en este campo se realizan en condiciones de campo magnético DC
unidimensional y en pocas ocasiones se lleva a cabo un análisis de las microestructuras
de partículas que se forman en el seno del coloide. Por ello, en esta memoria se propone,
en primer lugar, el diseño y la implementación de un sistema de generación de campos
magnéticos tridimensionales para la realización de experimentos magnetorreológicos.
Este generador triaxial permite controlar un vector de campo magnético en las tres
dimensiones del espacio y también en el tiempo. El campo magnético es generado por
tres circuitos de potencia de tipo LR, o resonantes LCR de capacidad variable que
permiten operar a alta frecuencia. Las bobinas de cada circuito se orientan por pares
enfrentados siguiendo un sistema de referencia Cartesiano, quedando un hueco en el
centro para la colocación de muestras. Los circuitos resonantes permiten alcanzar
frecuencias del orden de varios kHz, evitando el efecto de filtrado que provocan las
bobinas a alta frecuencia. Para el desarrollo de este equipo se ha utilizado una tarjeta de
entrada/salida multifunción que se usa para generar y adquirir las señales eléctricas que
alimentan los circuitos de potencia. Las características de estas señales y en general todas
las funcionalidades del generador triaxial se controlan desde una interfaz de usuario que
ha sido diseñada para facilitar el manejo del equipo y monitorizar la corriente en tiempo
real. En segundo lugar, se propone una técnica de análisis de imagen para el estudio de la
formación de patrones de bandas concéntricas de partículas en flujos de cizalla generados
en geometrías plato-plato y cono-plato, con un reómetro torsional, y campos magnéticos
en la dirección del gradiente de la velocidad. Para ello será necesaria la realización de
experimentos magnetorreológicos en los que se sincronice la adquisición de medidas
reológicas, con el campo magnético generado y la captura de imágenes de una muestra sometida al mismo. Mediante el uso de esta herramienta de software es posible observar
la evolución del sistema de partículas a lo largo del tiempo gracias a la composición de
una sola imagen a partir de numerosas capturas obtenidas durante la realización de cada
experimento, así como la extracción de parámetros característicos de las estructuras
coloidales que se forman. Esto permite hallar correlaciones entre la estructura interna del
material y su respuesta reológica.},
abstract = {In this work, we propose an improvement to the experimental techniques for the study of
magnetic particle suspensions and specifically of magnetorheological fluids (MRF). First,
concepts related to rheology and magnetism are introduced, which will be necessary to
define the specifications of our method and to verify its correct operation. For this reason,
it is essential to understand how fluids are characterized, how they are classified, what
mathematical models explain their behavior and how the rheological properties of these
materials are measured. It is also necessary to know the physical mechanisms that
intervene in the dynamics of these colloidal suspensions. Concepts such as magnetization,
or the magnetic moment induced on a particle and the magnetic dipole force, will also be
discussed. In addition, when the equations of rheology and magnetism are combined,
parameters such as the Mason number can be defined, which allows us to relate the
hydrodynamic force with the magnetic force in a compact way. However, despite all the
efforts to understand the behavior of MRF, there is currently a limitation in the
experimental methods for their study. This is because most of the research in this field is
carried out under one-dimensional DC magnetic field conditions and an analysis of the
microstructures of particles that are formed within the colloid is rarely carried out. For
this reason, this dissertation first addresses the design and implementation of a threedimensional
magnetic field generation system for carrying out magnetorheological
experiments. This triaxial generator allows to control a magnetic field vector in the three
dimensions of space and also in time. The magnetic field is generated by three LR-type
power circuits, or resonant LCRs with variable capacity that allow high-frequency
operation. The coils of each circuit are oriented in opposing pairs following a Cartesian
reference system, leaving a hole in the center for the placement of samples. Resonant
circuits allow frequencies of the order of several kHz to be reached, avoiding the filtering
effect caused by the coils at high frequency. For the development of this equipment, a
multifunction input/output card has been used to generate and acquire the electrical
signals that feed the power circuits. The characteristics of these signals and all the
functionalities of the triaxial generator are controlled from a user interface that has been
designed to facilitate the handling of the equipment and to monitor the current in real
time. Second, an image analysis technique is proposed to study the formation of
concentric band patterns of particles in shear flows generated using a torsional rheometer
in plate-plate and cone-plate geometries and magnetic fields in the velocity gradient
direction. For this, it will be necessary to carry out magnetorheological experiments in
which the acquisition of rheological measurements is synchronized with the generated
magnetic field and the capture of images of a sample subjected to it. Through the use of
this software tool it is possible to observe the evolution of the particle system over time
thanks to the composition of a single image from numerous captures obtained during the
performance of each experiment, as well as the extraction of characteristic parameters of the colloidal structures that are formed. This allows finding correlations between the
internal structure of the material and its rheological response.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Magnetorreología en presencia de campos magnéticos triaxiales: formación de estructuras coloidales y análisis de imagen},
author = {Martínez-Cano, Óscar},
}