Ferrofluidos em células de Hele-Shaw de espaçamento variável: o papel do campo magnético e dos estresses viscosos

Abstract

Neste trabalho de dissertação, exploramos analiticamente o fluxo de um ferrofluido newtoniano confinado entre duas placas planas e paralelas. Analisamos o desenvolvimento de instabilidades de interface quando a placa superior é levantada, sob a ação de um campo magnético aplicado. Obtivemos uma equação diferencial de modos acoplados para o sistema, cuja solução descreve as amplitudes de perturbação da interface, e a utilizamos para descrever os regimes linear e não-linear do fluxo confinado. Diferentemente do usual, consideramos o efeito de estresses viscosos oriundos de gradientes normais da velocidade na interface do ferrofluido. A inclusão desses estresses normais é feita a partir de uma modificação na condição de contorno de pressão de Young-Laplace, que também inclui a contribuição de trações magnéticas normais. Estudamos a maneira pela qual as propriedades de estabilidade da interface e a forma dos padrões respondem à ação combinada dos estresses normais e do campo magnético, tanto na presença quanto na ausência de tensão superficial. Neste contexto, mostramos que a inclusão dos estresses viscosos introduz uma sensibilidade do problema em uma de suas condições iniciais básicas: o espaçamento inicial entre as placas. Isto indica que, caso esses estresses não estejam presentes, o número de estruturas (dedos) formados que é estimado pela teoria linear é maior que o número de dedos obtido com a presença deles. No regime linear, os estresses viscosos regularizam o sistema atuando como uma tensão superficial efetiva e, no regime fracamente não-linear, reduzem a competição entre os dedos. Por outro lado, esta competição pode ser totalmente eliminada com a aplicação adequada do campo magnético azimutal. Na situação em que a tensão superficial e o campo magnético são nulos, as instabilidades de interface são tamanhas que a gota quebra-se em partes. A supressão da competição pela ação do campo azimutal indica que esta configuração de campo pode ser usada para controlar este comportamento singular (quebra das gotas). Mostramos, ainda, que a tração magnética introduz uma contribuição puramente não-linear ao problema, revelando o papel fundamental da susceptibilidade magnética no controle do mecanismo de competição entre os dedos viscosos